基于AVR单片机的三相正弦波变频电源设计.pdf

第 1 期 ( 总第 5 4 期) 2 0 0 7 年 3 月 黎明 职 业大 学 学 报 J o u r n a l o f L i mi n g V o c a t i o n a l U n i v e r s i t y N o 1 M a x 2 o o 7 科技研 究 基于A V R单片机的三相正弦波变频电源设计 孙 静 ( 黎明职业大学电子工程系福建泉州3 6 2 0 0 0 ) 摘要：介绍了基于A V R单片机的三相正弦波多频电源设计原理、主要 电路设计与计算及软件设 计等。该系统采用A V R单片机 A T m e g a 1 6 L作为控制器产生输出信号驱动晶体管，利用等效面积法 生成S P WM脉冲，实现正弦波变频电源，具有过流保护，液晶显示，键盘输入等功能。主电路的逆 变部分采用了 I R 2 1 1 0芯片进行驱动 ，简化 了驱动 电路。 关键词： A V R单片机；等面积法；S P WM脉冲；逆变 中图分类号：T N8 6 文献标识码 ：A 1 引 言 在实验室和工业部门， 三相正弦波变频电源 常用于各种测量和控制电路中，产生单相或三相 正弦波信号作为基准信号，基准正弦波的波形质 量直接影响到测量和控制的精度。对于一个良好 的正弦信号源， 要求其输出的基准正弦波信号幅 值、频率高度稳定、失真度小、带负载能力强、 幅值可调，对于三相正弦波信号还要求三相对称 度好。兼 顾这些要 求往往使 电路 变得复 杂。 S P WM的实现方法多种多样，可通过专有芯片 来实现，如 H E F 4 7 5 2 、S L E 4 5 2 0等，但这些芯 片价格较贵。软件方法，有表格法、随时计算 法、实时计算法。 【 1 1 前两种方法没有实时处理功 能，动态响应时间较慢。第三种方法有数学模 型，如自然采样法、规则采样法、等效面积法 等。本文采用 A T m e g a 1 6 L单片机作为控制器产 生输出信号驱动晶体管，利用等效面积法生成 S P WM脉冲，实现正弦波变频电源的设计。 2 设计原理 采用交流一 直流一交流，即先整流后逆变的 方法， 制作一个频率可调的三相正弦波变频电 源先通过自耦变压器和隔离变压器将 2 2 0 V的 市电转化为 3 6 V左右，再通过电容滤波的不可 控整流电路，将交流整为直流，控制电路采用 A T m e g a 1 6 L单片机通过内部的累加器和比较器 通过调节占空比可以在 P C A口输出 S P WM 波实 现 S P WM 调制产生输出信号，输出信号送给 I R 2 1 1 0驱 动 I G B T，利 用 等 效 面 积 法 生 成 S P WM脉冲， 产生三相正弦波。 3 主要电路设计与计算 3 1 主电路 主控电路硬件原理说明装置的构成框图如图 1 所示。 收稿 日期 ：2 O o 6 0 9一o 3 作者简介：孙静 ( 1 9 7 9 _ _ ) ，女 ( 汉) ，河北邯郸人，黎明职业大学电子工程系教师，硕士，主要从事单片机、可嫡程序控制器 等方面的研究。 维普资讯 黎明 职 业 大 学 学报 2 0 0 7 年 3 月 图 1 主控电路 如图 1 所示，主电路采用交流 一直流 一交 流，即 A C 2 2 0 V先经过变压器降压，然后经过 整流桥进行全波整流，通过电容 C滤波，得到 直 流 电，再 经 过 稳 压 片 7 8 0 5 稳 压 ，得 到 D C 6 0 V，再由逆变电路将平滑的直流电变成频 率可变的交流电，制作一个频率可调的三相正弦 波变频电源。 D l Z 一 ， r P 【 I 0 h , ， 、 r l l ， 1 - 0 一 毒j 6 I l J l ， l 、 7 5 ： l ： _ ： 1 - 曩 0 奠 港 1 1 a l r 3 - - | 兽 * $ 蔓蒋 一 - 、 一 _ 、 ， - 、 I _ 蠢 一 口 i盯 IU ： r O 蕾 0 。蠢 譬 、 1 ： 1 0 0 鼻 0 j I ： - ： I I ， m f l I ， 1 0 I I 、 1 l ， 图2 驱动电路 图2 是驱动电路，其中逆变电路采用了三块 I R 2 1 1 0对 I G B T进行驱动。每块 I R 2 1 1 0同时输 出两个驱动信号给逆变桥中的上下晶体管 ，共产 生六路输出，形成三相正弦波信号。控制信号由 单片机产生，经 I R 2 1 1 0放大输出，直接推动功 率管。为了防止干扰，还采用了光电耦合电路进 行隔离。 3 2 控制电路 控制电路主控芯片采用 A T m e l 公司生产的 A T me g a 1 6 L单片机。该 芯片片 内资源丰 富，配 置1 6 K B F l a s h R 0 M、 5 1 2 B E E P R 0 M 、 1 KB ，8通 道 1 0一b i t A DC，1 6一b i t C o u n t e r T i m e r( 可作 P WM 通道) ，有 U S A R T、S P I 等 接口。提供充足的程序空间，使控制器组态简 维普资讯 第 1 期 孙静 ：基于 单片机的三相正弦波变频电源设计 单，稳定可靠，且价格相对低廉。 图 3 控制电路 控 制 电路 如 图 3所 示，利 用 单 片 机 A T ME G A 1 6 L的内部的累加器和比较器通过调 节占空比可以在 P C 口输 出 S P WM 波 ，产 生六 路输出信号分别输送给三个 I R 2 1 1 0驱动晶体 管。通过键盘可对当前电压频率进行修改， 并将 设定的频率值送液晶屏显示。 3 3 S I M 调制原理 3 3 1 规则取样法 在三角波中心线与正 弦波 的交 点 C处 引一 条水平线，以此水平线与三角波的交点 A 、B来 决定 S P WM脉宽，如图4所示。其不足之处是 脉宽数值误差较大， 不能用于精度要求较高的场 合。因其取样结果 t l 1 =t l 2 ，故又称为对称规则 取样 。 2 ) 、 一 _ 、 _ - o 1 口 。 C I - 一 1 | l ，r 图 4 规则取样法 3 3 2 自然采样法 以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行 比较，在两个波形的自 然交点时刻控制开关器件 的通断 3 ) 这就是 自然采样法。其优点是所得 S P WM波形最接近正弦波，但由于三角波与正 弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等 距。从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁 琐，难以实时控制，用查表法将占用大量内存， 调速范围有限，一般不采用。 3 3 3 等效面积法 把一个正弦半波分为 N等分，每一等分的 正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积 相同的等高矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正 弦波每一等分的中点重合，这样，由 N个等幅 而不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正弦半波 等效，显然这一系列脉冲波形的宽度和开关时刻 可以严格地用数学方法计算得到。 l4 j 如图 5 所示，在区间 t ，t +A t ，正弦波 面积为 S ，则有 ： S 1=M U S f +A t s in o J t d t ： US I c o o t -S ( 1 ( t + t )I ( 1 ) ( I ， 式中M为调制深度，U S为直流电源电压。 对应图 5 中脉冲面积 维普资讯 3 8 黎 明 职 业 大 学 学 报 2 0 0 7 年 3 月 =6us 2 s ， 2 - I ， 2 ( 2 ) I 一 I t 心 i l l： (1 ： i j l i l l i I 11 厂_1 n i l ； ! ! J l- 一 lU l U U U l_l - a 图 5 等效面积控制法 将正弦信号的正半周 N等分，则每份为 N弧度，由图知脉冲高度为 U S 2 ，设脉冲宽度 为 6 K ，则第 K份正弦波面积与对应的第 K个 S P WM脉冲面积相等，解得： 6 K = c o s ( ) 一 c o s ( 簧 ) = M c o s( ) 一C O 6( ) ( 3 ) 一 j j 如图 5所示，I G B T的开关时间按如下计 算 ： I G B T开启时刻： T o n = ( t 一 )= ( 1 一 ) ( 4 ) I G B T关断时刻： T o f f = ( t + )= 1 1 + ) ( 5 ) 本系统采用等效面积法实现 S P WM 调制。 3 3 4 键盘输入和显示电路 人机交互模块是在单片机应用系统与人之间 的信息传递渠道。它包括人对应用系统的状态干 预与数据输入以及应用系统向人报告运行状态与 运行结果两个方面。 液晶显示器 以其微功耗、体积小 、显示内容 丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低 功耗应用系统 中得到越来越广泛的应用。 本系统采用 4 个按键设定频率值并通过液晶 屏显示。接口电路简单，可视化程度较高。 3 3 5 电压、电流采样电路 电流互感器是一种广泛使用的电器元件，除 能将被测大电流降到标定值外，还可以安全的将 高压电路隔离。本系统采用电流互感器来测量负 载端电流信号，用互感器从线路上取出反映电流 大小的控制信号。当电流突然增大时，电流互感 器输出电流也随之增大，经过全桥整流、滤波， 输出直流电压信号。C P U通过对输出端电压的 A D采集来感知 A C 2 2 0 V电流的变化，当输出端 的电压过高时，C P U可以对电路采取保护措施。 4 软件设计 软件部分主要分为初始化、信号采集、中断 处理、液晶显示、键盘控制等部分。单片机程序 采用 A V R编程语言，通过 P C机直接下载在线 编程调试。主程序流程图如图 6 所示。 图 6 主 程序流 程图 维普资讯 第 1 期 孙静： 基于 A V R单片机的三相正弦波变频电源设计 3 9 4 1 采集部分 将负载端电压信号通过传感器采集后，经过 A D转换送到单片机，当负载端电压高于电压 最大值时，单片机可以对电路采取保护措施，使 其负载端电压处于安全电压范围内。 4 2 键盘控制 系统采用了4 个按键键盘作为人机交互接口 的输入设备，可以对频率值进行设定更改。 4 3 液晶显示 为了能够直观的看到频率的设定值，本系统 采用了液晶屏实现显示功能。 4 4 中断子程序 定时时间到达载波周期 T后，C P U执行 T o o中断服务程序，读开关点数据，计算各相占 空比， 存储在相应 P WM控制寄存器中，P WM 使能，向端口发送驱动信号。 5 实验及结论 按照上述的设计思想，开发了单片机控制系 统的软硬件，程序由 f a s t a v r 4 3 0 编写，在 S L A V R实验开发机上调试通过，输出波形经示波 器观察，S P WM 波形线性度较好，当给定频率 改变时，三相线电压基本保持对称。采用等效面 积法生成的S P WM 波形精度高，更接近正弦波， 且谐波分量小，同时也对 C P U的运算速度提出 更高要求。本文利用高速嵌入式 A V R单片机产 生 S P WM脉冲序列，与专用控制芯片相比，具 有速度快、精度高、算法灵活等特点，同时由 A V R单片机价格低康，编程开发方便，在低成 本的变频系统中有良好的发展前景。 总之，本 系统 采用 等 效 面积 法 生 成 的 S P WM波形精度高，更接近正弦波，且谐波分 量小，实现了正弦波变频电源，具有过流保护 ( 输出电流有效值达 3 6 A时动作) 、负载缺相保 护及负载不对称保护 ( 三相电流中任意两相电流 之差大于 0 5 A时动作)功能，保护时自动切断 输入交流电源、测量显示，具有一定的实用性。 参考文献 ( 1 阎纲三相 S P WM 波的软件生成及应用研究 ( J 自 动化技术与应用 ，2 0 o