基于单片机控制的三相逆变电源.doc

兰州工业学院毕业论文摘 要逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得的交流输出。随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。与此同时应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求， 因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。随着数字信号处理技术的发展，以SPWM控制方式设计的逆变电源越来越受到青睐。本论文叙述的就是一种基于51系列单片机设计的SPWM逆变电源。给出了系统总体构成和主电路设计，介绍了SPWM产生器SA8282的结构特性和工作原理，SA8282全数字操作、工作方式灵活、频率范围宽、精度高功能强，可实现系统的智能化设计。文中详细介绍了采用单片机8051和SPWM产生器SA8282组成系统控制器的软硬件设计，实现了逆变电源输出电压闭环控制。实验表明，由SA8282为控制芯片的逆变电源结构简单、输出波形好、性能稳定可靠，适合于中、小功率的应用场合。关键词：正弦脉宽调制（SPWM）；SA8282；逆变电源；单片机III兰州工业学院毕业论文AbstractInverter is a kind of using power electronic technology for electric power transformation device, it from ac or dc Input voltage of exchange obtained constant frequency output. With the development of the power electronic technology, the application of inverter power supply is more and more extensive, it across the electric power, electron, microprocessor and automatic control multi-disciplinary field, is one of the hotspots of the power electronics industry and scientific research. Meanwhile application system subsequently put the output voltage waveform characteristics of inverter power supply forward more and higher demand, because the power output waveform quality directly relates to the whole system safety and reliability index.Along with the digital signal processing technology development, the control mode design with SPWM inverter power supply more and more be favored，This article describes a SPWM inverter power supply based on the 51 series microcontroller，The three phase inverter of full digital control based on MCU 8051 and SPWM generator IC SA8282 is introduced in this paper，the system construction and main circuit design of inverter are given, the function feature and operation principle of SPWM generation IC SA8282 is described. the hardware and software design of controller implemented closed-loop of voltage by using AT89C51 and SA8282 is discussed in detail，experimental results shown the three phase output voltage waveform is quit good，the performance meets the demand.Keywords :SPWM；SA8282；inverter power supply；MCU兰州工业学院毕业论文目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题的背景11.2 电源技术发展的概况22 总体方案设计42.1 SPWM原理42.2系统总体方案43 系统硬件设计63.1 系统主电路设计63.1.1 输入EMI滤波器的设计63.1.2 输入整流滤波电路设计63.1.3逆变器的设计73.2 采样电路及A/D转换电路83.2.1 采样电路83.2.2 8051单片机引脚及其功能介绍93.2.3 8051单片机内存扩展103.2.4 A/D转换电路113.3 SPWM波产生芯片SA8282及应用133.3.1 SA8282工作原理133.3.2 SA8282与单片机的连接163.4 IGBT驱动电路的设计173.4.1 IGBT驱动电路的要求173.4.2集成化IGBT专用驱动器EXB841183.5 MCS-51对LED/键盘的接口203.5.1 LED数码显示管显示原理203.5.2 键盘/显示系统213.6系统保护电路设计214 系统软件设计254.1 键盘/显示系统主程序设计254.2系统控制程序设计254.3软件抗干扰技术27结论29致谢30参考文献31附录32兰州工业学院毕业论文1 绪论1.1 课题的背景随着各国工业与科学技术的飞速发展，在将来工业高度发展的情况下，计算机技术、电力电子技术及自动控制技术将成为三种最重要的技术。所谓电力电子技术，就是利用半导体功率开关器件、电子技术和控制技术，对电气设备的电功率进行变换和控制的一门技术。这项技术自20世纪50年代以来，经历了半个世纪的发展，现在已经成为理论和科学体系比较完整，而且有相对独立的一门学科技术。特别是80年代以来，由于电力电子技术突飞猛进的发展，及对工业发展所产生的作用，他被各国专家学者成为人类社会计算机之后的第二次电子革命，它是世界各国工业文明的发展过程中所起的关键作用，可能仅次于计算机。预计未来，电力电子技术对工业自动化、交通运输、城市供电、节能、环境污染等方面的发展，将会产生更大的作用。正弦波逆变技术是电力电子技术中的一个重要组成部分，它的作用是把从电力网上得到的额定频率交流电能，或者从蓄电池、太阳能电池等得到的电能质量较差的原始电能，变换成电能质量较高的，能满足负载对电压和频率要求的交流电能。这种交流电能不仅可用于交流电机的传动，而且还可以作为不间断电源、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等逆变其中的电能。近年来，随着各行各业的技术水平和操作性能的提高，它们对电源品质的要求也在不断的提高。为了高质量和有效的使用电能，许多行业的用电设备都不是直接使用交流电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行变换，从而得到各自所需的电能形式。其中，把直流电变为交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。这种能量变换对节能、减小环境污染、改善工作条件、节省原材料、降低成本和提高产量等方面军起着非常重要的作用。随着正弦波脉宽调制（SPWM）逆变技术的日益成熟，逆变电源被广泛应用到微波通讯、野外活动、高速公路。海岛、军事、医疗、航空航天、风力发电等各个领域。在一些重要的用电部门（如机场、医院、银行）和一些重要的用电设备中（如计算机、通讯设备）对逆变电源质量的要求也越来越高：不仅要求不停电，还要求输出电压波形准确完好，如不间断电源UPS（Uninterruptible Power Supply）广泛应用与计算机、程控变换机、数据处理系统、医疗诊断仪及精密电子仪器等不能中断供电的场合，而衡量逆变电源质量的首要指标就是输出波形质量的情况。对于逆变电源，其负载可能具有不同的性质，当某一负载投入运行时，特别是非线性负载，很可能引起逆变电源的输出电压波形周期性畸变，谐波增加时;同时，由于变压器本身存在非线性的问题，使得实际加载在负载上的波形发生更严重的畸变，而这样的波形对各种电器设备都有不同程度的影响和危害，从而影响整个电路正常、安全可靠工作，对供电系统的影响也会日益严重，这样，也就逐渐显示出了对逆变电源输出波形控制的重要性。因此，为了使逆变电源具有高质量的输出波形，研究设计逆变电源的各种先进的波形控制技术已成为近年来国内外学者研究的热点。1.2 电源技术发展的概况电力电子技术就是利用半导体功率开关器件、电力电子技术和控制技术，对电气设备的电功率进行变换和控制的一门技术。上世纪80年代以来，由于半导体器件，电子技术等的不断推广出新，电力电子技术有了突飞猛进的发展，其对工业发展所产生的巨大作用他被各国专家学者成为人类社会计算机之后的第二次电子革命，它是世界各国工业文明的发展中所起的关键作用可能仅次于计算机。电源是电力电子技术的主要应用领域之一，随着新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新的控制技术的出现与应用，逆变电源技术得到越来越广泛的应用。电源技术的发展，大体是经历了几个阶段：由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控硅（晶闸管）整流式，直到发展到逆变式（开关式）。采用逆变技术，可使所涉及的电源具有许多方面的优越性：1. 可灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率通过控制回路，我们可以控制逆变变电路的工作频率和输出时间的比例，从而使输出电压或者电流的频率和幅值按照人们的意愿或者设备工作的要求来灵活地变化。2. 可将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电，这样就不会因为交流电网停电或剧烈变化而影响工作。3. 可明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料在很多用电设备中，变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量，如果我们将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器绕组匝数与有效面积之积就会明显的减少，变压器的体积和重量明显的减少。4. 采用逆变技术的电源还具有高效节能的优越性，表现在如下几个发表方面：1）在许多应用交流电动机的场合，在其负载变化时，传统的方法是调节电动机的通电时间所占比例，这样电动机就会频繁的制动、起动。而电动机的起动、制动消耗的电能的能量往往很大，如使用变频电源来调节电动机做功的量，则可节约很大一部分能量。2）采用逆变技术的电源，其变压器的体积和重量大大减少了，也即减少了铁心横截面积和线圈匝 。变压器本身的损耗主要包括原、副边铜耗和铁耗，铁心面积和线圈匝数的大幅度减小也就大大降低了铜耗和铁耗。因此，采用逆变技术大大提高变压器的工作频率，使得变压器的损耗变得比工频工作时小得多，从而达到节能的目的。3）传统的，采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在0.50.8之间，这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大。在逆变电源中，如果用功率因数校正技术，能使输入电流的谐波成分变得很小，从而使功率因数约为1，节能的效果非常明显。5. 动态响应快。控制性能好，电气性能好。由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性好，表现为：对电网波动的适应能力强、负载效应好、启动冲击电流小、超调量小、恢复时间快、输出稳定、纹波小。6. 电源故障保护能力快由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号反应快，从而增加了系统的可靠性。另外，现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载要求，一个特定用途的电源，应当具有特定的负载性能要求和外特性，同时还应当具备安全可靠、高效、高功率因数、低噪音的特点，另外，无电磁干扰、无电网污染、省电节能也是我们应当认真考虑的设计要求。3兰州工业学院毕业论文2 总体方案设计2.1 SPWM原理SPWM控制技术是通过控制电路按一定规律来控制开关管的通断，以得到一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，用来产生所需频率的正弦电压波形。SPWM实现的方法有模拟方法和数字方法两种，其中模拟方法的电路比较复杂，且有温漂现象，会影响精度，降低系统的性能。数字方法则是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点的值并将其存入内存，然后通过查表及必要的计算生成PWM波，因此数字方法受内存影响较大，且与系统精度之间存在着矛盾。英国MITEL公司生产的全数字化三相PWM发生器SA8282频率范围宽、精度高，并可与微处理器进行接口，同时能够完成外围控制功能，因而可实现智能化。2.2系统总体方案 三相逆变电源由主电路和控制器两部分组成，如图2-1所示。其中主电路采用交直交电源型变频器结构，由整流器、滤波器、逆变器和隔离变压器构成。输入功率级采用简单可靠的三相桥式不可控整流器，将电网交流电整流成直流，经中间滤波器滤波获得平滑的直流电压，逆变器开关采用富士公司的两单元IGBT模块三组(六只)组成三相H桥式电路。逆变电源的输入、输出之间为实现电气隔离和满足输出电压幅度的要求，在逆变电源中必须有变压器，对于三相变频电源采用在输出端接入变压器/Y进行隔离变压，以减小电源的体积和重量。 图2-1 系统方案3 系统硬件设计3.1 系统主电路设计图3-1是系统主电路的电路图，下面我们分别来介绍主电路的各个部分：图3-1 系统主电路3.1.1 输入EMI滤波器的设计EMI滤波器在本系统中，为了抑制交流电网和电源之间的相互干扰，在交流电网和电源输入端之间加入EMI（电磁干扰）滤波器。它可以有效的消除来自电网的各种干扰对系统的任何影响。在本系统中我们选用的滤波器有以下作用：1.抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响；2.抑制设备（本文主要指高频开关电源）对交流电网的干扰。3.1.2 输入整流滤波电路设计为了保持三相交流电源的对称性和减小电源滤波电容等原因，采用三相电源作为供电电源，其整流滤波电路设计如下。1.三相桥式整流电路的设计（1）整流桥的耐压：整流二极管的峰值反向电压为: 取50的裕量 （2）整流桥的额定电流以电源的输出功率为3KW为例，电源的输出功率随着电源的效率变化而变化，计算时取电源效率最差时的值，设 此时电源的输入功率 最大输入线电流 根据以上计算我们选用取富士公司生产的2RI60G-120（10A/1200V/2单元串联）型号整流模块三个连接而成桥式整流回路。2输入滤波电容的设计输入滤波电容的值决定于输出保持时间和直流输入电压的纹波电压的大小，且要在计算流入电容器的纹波电流是否完全达到电容器的容许值的基础上进设计。三相电源经过整流后，输出直流电压，此时通过直流回路的平均电流最大值 为： Udc为三相电源电压最低时整流输出的直流电压的平均值 计算单相全波整流电路滤波电容的经验公式是 因为三相全波整流电路的基波频率为单相整流电路的3倍，所以计算三相整流电路的滤波电容公式为： 所以C=2008.12=1626uF因为三相整流的纹波较单相整流要小许多，所以本系统中输入滤波电容取1600uF。3.1.3逆变器的设计一、IGBT的选择1、耐压当输入电网电压为最高输入电压时，经整流滤波后输出的最高直流电压为 考虑各种因素的影响取50的裕量，则IGBT的最低耐压为 2、IGBT的电流在一些参数未知的情况下，我们需要估算IGBT的电流，以便选择IGBT管。输入电网电压经输入整流滤波后，直流母线上的最大直流电流为Id.max=.min.maxdcin其中所以可选择IGBT的额定电流为25A。综上所述，在本系统设计中，我们可选择日本富士公司生产的2MBI25L-120（2单元25A/1200V）型IGBT管，该管耐压1200V，电流容许值为25A。3.2 采样电路及A/D转换电路3.2.1 采样电路本系统的采样电路如图3-2所示，输出电压经电压互感器后再经整流堆整流，输出的是脉动的电压，此电压再经电阻R2和电容C1组成的滤波器滤波后，成为稳定的直流电压 ，经可变电阻R1调节后送往A/D转换电路。我们可以调节电路，使得当系统输出电压有效值是380VAC时，电路输出电压是2.5VDC，该电路可在系统输出电压的一定变化范围内具有线性关系。图3-2 采样电路3.2.2 8051单片机引脚及其功能介绍 8051有40条引脚，共分为端口线、电源线和控制线三类。8051单片机的引脚图如图3-3所示。 图3-3 8051引脚 （1） 8051共有32条端口线。其中有4个并行I/O端口，每个端口有8条端口线，用于传送数据/地址。由于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上的差别颇大。现对它们综述如下： P0.7P0.0：这组引脚共有8条，为P0口所专用，其中P0.7为最高位，P0.0为最低位。这8条引脚共有两种不同的功能，分别使用与两种不同的情况。第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。这时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器；输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。第二种情况是8051带片外存储器，P0.7P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。 P1.7P1.0：这8条引脚和P0口的8条引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位。当P1口作为通用I/O口使用时，P1.7P1.0的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送输入/输出数据。 P2.7P2.0：这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用I/O口使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。 P3.7P3.0：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同。第二功能作控制用，每个引脚并不完全相同。 （2）8051的VCC为+5V电源线，VSS为接地线。 （3）8051的控制线总共有6条。现对它们综述如下： ALE/PROG：地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/PROG，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/PROG线上输出频率为fOSC/6的脉冲序列。该脉冲系列可以作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。EA/VPP：允许访问片外存储器/编程电源线。它可以控制8051使用芯片内ROM还是使用片外ROM。若EA =1,则允许使用片内ROM；若EA =0，则允许使用片外ROM。PSEN：片外ROM选通线。在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在PSEN线上产生一个负脉冲，用于为片外ROM芯片的选通。其他情况下，PSEN线均为高电平封锁状态。RST/VPD：复位/备用电源线，可以使8051处于复位（即初始化）工作状态。通常，8051的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种。 XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈回路。石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使8051片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC输出时钟频率fosc为0.516MHz，典型值为12MHz或11.0592MHz。 3.2.3 8051单片机内存扩展8051片内ROM也只有4KB，片内RAM也只有128字节，这么小的存储容量常常限制了它的应用领域。为了扩大单片机的存储容量，MCS-51可以外接片外存储器。图3-4给出了8051对片外ROM和RAM的一种连接图。 图3-4 8051对片外ROM和RAM的连接图3-4中，1#和2#芯片的存储容量均为8KB。即1#芯片可以存放8192个二进制8位程序代码，2#芯片也可以存放8192个二进制8位实时数据。因此，1#和2#芯片各有13条地址线和8条数据线。其中，13条地址线中高5位A12A8分别与P2.4P2.0相接，低8位A7A0与P0口上的地址锁存器74LS373的输出端对应相接，8位数据线D7D0则与P0口直接相接。片选线P2.5和P2.6用于控制6264和2764的选通工作， PSEN与2764的OE相连，以便8051执行MOVC指令时，产生低电平而选定2764工作。8051的RD和WR连接到6264的OE和WE已提供6264所需的读写选通信号。 3.2.4 A/D转换电路采样电路得到的模拟信号必须经A/D转换器转换为数字量后才能送往单片机进行处理。本系统中，我们采用ADC0809，它是CMOS工艺、采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，28脚双列直插式封装，片内除A/D转换部分外还有多路模拟开关部分。ADC0809最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，如图3-5所示。图3-6是它与单片机8051的接口电路。ADC0809由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器以及地址锁存译码器等组成。其引脚功能说明如下：图3-5 ADC0809引脚为8个输入通道的模拟输入端。为8位数字量输出端。START为启动信号，加上正脉冲后，A/D转换开始进行。ALE为地址锁存信号，高电平时把三个地址信号送入地址锁存器，并经译码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。EOC为转换结束信号，是芯片的输出信号。转换开始后，EOC信号变低；转换结束时，EOC返回高电平。这个信号可以作为A/D转换器的状态信号来查询，也可以直接用做中断请求信号。OE为输出允许控制端。CLK为时钟信号，最高允许值为640KHz。VREF(+)和VREF(-)为A/D转换器的参考电压。图3-6 ADC0809与8051接口电路图3-6为ADC0809与8051的接口，在此，我们采用查询方式。这里将ADC0809作为一个外部扩展并行I/O口，由于只采样一个通道值，所以在此我们采用固定寻址法，只寻址IN0通道，另外，由P1.5和P3.6联合控制启动转换信号端START。启动ADC0809的工作过程是：先由ALE信号锁存通道地址000，后由START有效启动A/D转换，即执行一条MOVXDPTR,使ALE、START有效，锁存通道号并启动A/D转换。A/D转换完毕，EOC端发出一正脉冲供单片机查询，最后执行MOVX A,DPTR使OE端有效，打开输出锁存器三态门，8位数据就读入到CPU中。ADC0809的时钟取自8051的ALE经二分频D触发器之后的信号（接CLK端）。当A/D转换完毕，8051读取转换后的数字量时，需使用MOVX A,DPTR指令，在如图3-6所示的接口电路中，ADC0809与片外RAM统一编址，在使用MOVX指令时一个周期内丢失一个ALE脉冲，但这不影响A/D转换的时间。3.3 SPWM波产生芯片SA8282及应用3.3.1 SA8282工作原理SA8282是MITEL公司推出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成芯片。它既可以单独使用，也可以与大多数型号的单片机接口。图3-7 SA8282芯片的主要特点为：全数字控制；兼容Intel系列和Motorala系列单片机；输出调制波频率范围04KHz；16位调速分辨率；载波频率最高可达24KHz；内部ROM固化3种可选波形；可选最小脉宽和延迟时间（死区）；可单独调整各相输出以适应不平衡负载；看门狗定时器。图3-7 SA8282 引脚1.SA8282引脚功能SA8282采用28脚的DIP和SOIC封装，其引脚如图3-7所示，各引脚功能如下：输入类引脚说明:地址或数据输入通道。SET TRIP:通过该引脚，可以快速关断全部SPWM信号输出，高电平有效。：硬件复位引脚，低电平有效，复位后，寄存器的、WTE和RST各位为0。CLK：时钟输入端，SA8282既可以单独外接时钟，也可以与单片机共用时钟。MUX：用于总线选择，当MUX高电平时，使用地址与数据共用的总线，这时，地址/数据引脚RS不用，当MUX低电平时，使用地址/数据分开的总线，这时，地址锁存引脚ALE接低电平，RS引脚要与一条地址线相连，来区分输入的字节是地址（低电平），还是数据（高电平），通常先地址后数据。：片选引脚、 、ALE：用于“ ”模式，分别接收写、读、地址锁存指令。、AS、DS：用于 模式，分别接收读/写、地址、数据指令。输出类引脚说明RPHB、YPHB、BPHB：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的下臂开关管。RPHT、YPHT、BPHT：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的上臂开关管。它们都是标准TTL输出，每一个输出都有12mA的驱动能力，本例中，RPHB和RPHT各要驱动一块驱动电路EXB841。 ：该引脚输出一个封锁状态，当SETTRIP有效时，为低电平，表示已被封锁，它有12mA的驱动能力，可直接驱动一个LED指示灯。ZPPR：该引脚输出调制波频率。WSS：该引脚输出采样波形。2.内部结构及工作原理SA8282内部结构如图3-8所示，来自单片机的数据通过总线控制和译码进入初始化寄存器，它们对相控逻辑电路进行控制。外部时钟输入经分频器分成设定的频率，并生成三角形载波，三角载波与所设定的片内ROM中的调制波形进行比较，自动生成SPWM输出脉冲，通过脉冲删除电路，删去比较窄的脉冲，因为这样的脉冲不起任何作用，只会增加开关管的损耗，通过脉冲延迟电路生成死区时间，保证任何桥臂上的两个开关管不会在状态转换期间短路，看门狗定时器用来防止程序跑飞，当时间条件满足时快速封锁输出。图3-8 SA8282内部原理图片内ROM存有三种可供选择的波形，它们是纯正弦波形，增强型波形和高效型波形，如图3-9所示，每一种波形各1536个采样值，增强型波形又称三次谐波，它可以使输出功率提高20，三相谐波互相抵消，防止电动机发热，高效型波形又称带死区的三次谐波，它是进一步优化的三次谐波，可以减小逆变开关管的损耗，提高功率利用率。图3-9片内ROM存储的三种波形寄存器列阵包含8个8位寄存器R0R5和R14、R15。其中R0R5用来暂存来自单片机的数据，这些数据可能是初始化数据，或者是控制数据；而R14、R15是两个虚拟的寄存器，物理上不存在。当向R14写操作时，实际是将R0-R5中存放的48位数据送入初始化寄存器，当向R15写操作时，是将R0R5中存放的48位数据送入控制寄存器。各寄存器地址如表1所列。表1 各寄存器地址 3.3.2 SA8282与单片机的连接SA8282与单片机接口的原理图如图3-10所示，本系统中，我们选用的是美国Intel公司生产的8051单片机。8051属于地址与数据总线复用类的单片机，因此，SA8282芯片的MUX引脚接高电平或者悬空不接。通过8051的P0口与SA8282的AD口相连，提供8位数据和低8位地址，SA8282芯片中的地址锁存器可以锁存来自8051的低8位地址，从而将AD口输入的地址与数据分开。图3-10 SA8282与单片机8051的连接图SA8282的地址锁存器由8051的ALE信号控制。同时，连接的控制信号还有读、写信号 和。SA8282的片选信号接地，这样SA8282的8个寄存器的地址为：寄存器R0R5的地址：0000H0005H虚拟寄存器R14、R15的地址：000EH、000FHSA8282的SETTRIP引脚接反相器的输出脚，使单片机能够在异常情况下封锁SA8282的输出，SA8282的 引脚接一只发光二极管，当SA8282的输出被封锁时，发光二极管亮，用来封锁状态。由于本系统采用了电压型逆变电路，所以SA8282的输出引脚我们用RPHB、YPHB、BPHB和 RPHT、YPHT、BPHT分别通过六个EXB841驱动电路，RPHT、YPHT、BPHT驱动逆变桥的1、3、5号IGBT，而RPHB、YPHB、BPHB驱动4、6、2号IGBT。3.4 IGBT驱动电路的设计3.4.1 IGBT驱动电路的要求驱动电路的要求与IGBT的特性密切相关，设计门极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和dUce/dt引起的误触发等问题。对驱动电路的要求可归纳如下：IGBT是电压驱动，具有一个2.55.0V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷集聚较敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压UGE有足够的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的门极电压，使IGBT不致退出饱和而损坏。驱动电路要能传递几十KHz的脉冲信号。驱动电平UGE也必须综合考虑。增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减少，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中应选得小些，一般选1215V。在关断过程中，为了尽快抽取PNP管中的储存电荷，需施加一负偏压，但它受IGBT的G、E间最大反向耐压限制，一般取-210V。在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，确保IGBT的安全。驱动电路与控制电路要严格隔离。IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，并有较强的抗干扰能力。IGBT属压控器件，当集射间有高电压时，很容易受外界干扰，使栅射电压超过 ，引起器件误导通，尤其是在有上下桥臂的变换器或逆变器中，易造成同臂短路。为了阻止这类现象的发生，在栅射间必须并接一只10K的电阻。 3.4.2集成化IGBT专用驱动器EXB841 现在，大电流高电压的IGBT已模块化，目前市场上有许多品种的IGBT专用驱动模块可供选择。其性能良好，整机的可靠性高及体积小。下面我们着重介绍本系统所使用的EXB841驱动器，本系统中我们用到六片EXB841,该驱动器是日本富士公司的产品，其引脚如图3-11所示，它是直插式结构，额定参数和运行条件可参阅其技术手册。图3-11 EXB841引脚图EXB841驱动器的各引脚功能如下：脚1：连接用于反向偏置电源的滤波电容器，接至IGBT的E极；脚2：电源(20V)，本系统中需提供四个独立的20V电源；脚3：驱动输出，接至IGBT的G极；脚4：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作；脚5：过流保护输出；脚6：集电极电压监视；脚7、8：不接；脚9：电源地；脚10、11：不接；脚14、15：驱动信号输入(-、+)EXB841内部电路原理图如图3-12所示: 图3-12 EXB841内部电路原理图图中为光电耦合器，对1514端的输入控制电路与31端输出电路及电源29端进行隔离。当1514端有正脉冲时，导通，晶体管V2、V3截止，V5导通，31端子间有触发脉冲输出。如果29间电源电压为20V，1号端子的正偏压为5V，则上述脉冲幅值为15V。当1514端没有正脉冲时，截止，晶体管V2、V3导通，V5截止，V6导通，31端子间处于5V偏压。V3、V4等用于短路保护。图3-12中6号端子经R10接至主回路IGBT的集电极。当IGBT发生短路（过电流）故障时，由IGBT输出特性知道，UCE将随急剧增大而增大。本来处于导通状态的R10因此反向截止，图3-12中VZD1击穿，V4导通。二极管VD1阳极电位下降（由R7、R6分压比确定），V5的输出电压（3号端子）也因此被钳位在R7、R6的分压电平上。随着触发电源UGE的降低，IGBT能承受短路的时间增长，从而允许系统内硬件、特别是软件能有充分的时间去执行关断保护。与此同时，5号端子所接的光电耦合器动作，耦合器的输出端接至控制电路，使之锁住触发信号，保护了IGBT不继续导通。当UGE加上正偏压时，IGBT开始导通。如果此时发生短路（过电流），IC急剧上升。由于主回路分布电感L的存在，产生Ldi/dt电压，该电压叠加在直流电源电压Ed之上，使IGBT的C-E间出现下跳电压冲击。Ic急剧上升引起IGBT管压降增大，R10反向截止，驱动保护功能工作，输出触发电压UGE从15V慢慢下拉到10V左右，IGBT可承受的短路时间增长。值得注意的是，当IGBT发生短路或过电流时，并不是立即关断触发电压UGE，因为立即关断IGBT将造成C-E间电压急剧上升。过快的dU/dt的变化会造成IGBT的误导通。因此上述保护过程中，从15V慢慢降到10V，并维持了一段下降时间，这个过程称为软关断，从而避免了过快的dU/dt的出现。同时，驱动电路经光耦管向控制电路输出封锁信号，关断了IGBT的触发。这种软关断还有一个好处，即如果意外的外来干扰（比如小于4us）造成IGBT短路，此时触发电路能予以忽略。当低于阈值电压时，IGBT也开始关断。其中EXB841驱动芯片与外部电路接线图如图3-13所示：图3-13 EXB841接线图3.5 MCS-51对LED/键盘的接口3.5.1 LED数码显示管显示原理LED数码管结构简单，价格便宜。图3-14示出了八段LED数码显示管的结构和原理图：图3-14（a）为八段共阴数码显示管结构图，图3-14（b）为八段共阳极LED显示管原理图，图3-14（c）为它的原理图。 图3-14（a）共阴LED结构 （b）共阳LED (c) 共阴LED八段LED数码显示管原理很简单，是通过同名引脚上所加电平的高低来控制发光二级管是否点亮从而显示不同字形的。例如，若在共阴LED管的SP、g、f、e、d、c、b、a引脚分别加上7FH控制电平(即SP上为0伏，不亮；其余为TTF高电平，全亮)，则LED显示管显示字形“8”。7FH是按SP、g、f、e、d、c、b、a顺序排列后的十六进制编码（0为TTL低电平，1为TTL高电平），常称为字形码。因此，LED所显示的字形不同，相应的字形码也不一样。图3-14（b）为八段共阴LED管的原理图。图中，所有发光二级管阴极共连后接到引脚G,G脚为控制端，用于控制LED是否点亮。若G脚接地，则LED被点亮；若G脚接TTL高电平，则它被熄灭。3.5.2 键盘/显示系统在单片机控制系统中，键盘/显示系统通常用来监视和分析键盘输入的命令和数据，以及显示被控制系统的工作状态。键盘/显示系统是单片机不可缺少的部件，它由硬件电路和软件程序两部分组成。硬件电路如图3-15所示，图中的LED显示器为共阳极接法，且8155端口地址的分配也不同。软件程序有动态显示子程序DISPLAY和按键识别程序SCAN等组成。因此，我们可以通过对键盘的不同控制，来得到我们所需的不同电压，并将此电压通过显示系统输出显示。图3-15 8051对键盘排布图3.6系统保护电路设计逆变电源的开关管是比较脆弱的电子元件，而且价格比较昂贵；另一方面，逆变电源的负载大都是比较贵重的设备，对电能质量要求较高，易受损坏，因此，我们必须对逆变电源加装必要的保护功能，保护电源本身和负载不被损害。在本电源系统中，我们设计了输入过压欠压保护电路、输出过流保护电路和温度保护电路，下面我们分别对它们加以介绍：1、输入过压欠压保护电路输入过压保护是指当系统输入电压太高(高于418V)，从而对电源系统内的电子元件造成损害，该保护电路可在输入电压超过最高电压阈值时关闭电源系统。输入欠压保护是指当系统输入电压太低(低于342V)，即使系统控制电路输出最大脉宽的触发脉冲，电源仍无法输出额定的电压或电流的情况下保护的，该保护电路可防止出现因输入电压太低而引起电源输出电压失控的情况。在本系统设计中，我们采用如图3-16所示的过压欠压保护电路，输入三相电压经过整流滤波后得到直流电压，该电压通过电阻分压，若高于高压阈值，则比较器LM324的3脚输出高电平，若低于低压阈值，则比较器的6脚输出高电平，单片机的相应引脚检测到低电平，从而启动单片机内定时器T0进行计时，若定时时间到了以后，电源已经没有过电压或欠电压，则系统恢复正常运行，若单片机的相应引脚仍为低电平，则启动输入过压或欠压保护程序，关闭电源系统，发出报警。图 3-16系统输入过压欠压保护电路2、输出过流保护电路输出过流保护是指电源输出电流超过所设定的允许值时，使电源不受损坏的技术措施（通过IGBT的电流超过其额定值时，也必须对IGBT进行保护，保护功能由EXB841完成，保护动作时间小于10uS），它分为限流式保护和截止式保护两类，前者可恢复，一旦过流消失，能自动恢复工作，后者不可恢复，必须重新启动，才能工作。本文中所设计电路采用截止式保护电路，图3-17所示即为本系统的输出过流保护电路。 图 3-17系统输出过电流保护电路系统中，我们在电源输出线路上安装一个电流互感器，我们可在互感器次级得到一个与被检测初级电流成比例的电压，将该次级电压整流滤波后，得到一直流电压，该电压同输出电流成正比。将该电压同输出电流的门限电压相比较，当超过门限电压时，比较器输出高电平，则单片机的相应引脚为低电平，从而启动单片机内定时器T0进行计时，若定时时间到了以后，电源输出已经没有过电流，则系统恢复正常运行，若单片机的相应引脚仍为低电平，则启动输出过流保护程序，关闭电源系统。3、温度保护电路随着温度的升高，电子元件的性能都会下降甚至损坏，因此我们必须在系统内加装散热风扇，另外还应当对电源关键部位的温度进行监测，防止因温度过高而引起元器件的损坏。图3-18为本系统内的温度保护电路。图 3-18温度保护电路插头处为一负温度系数的热敏电阻，其电阻随着温度的升高而逐渐下降。当温度升高时(超过100度)，A处的电压逐渐下降，当A处的电压低于B处的阈值电压时，比较器LM324输出高电平，则单片机的相应引脚得到低电平，从而单片机启动温度保护程序，关闭电源，对电源进行保护。4 系统软件设计4.1 键盘/显示系统主程序设计图4-1为键盘显示系统的流程图。图中，数字键处理程序NUM以及功能键处理程序中的MEM.REG.MOM均为给出具体程序。这些程序与单片机控制系统的功能，键盘操作和各按键的定义有关。 图4-1键盘显示系统的流程图4.2系统控制程序设计图4-2为本系统的控制程序框图，系统开机后，先复位SA8282，然后对其初始化寄存器和控制寄存器进行编程，在此之后，单片机8051不断通过ADC0809采样输出电压值，调整SA8282控制数据中的调制幅度值，使输出电压稳定下来。具体来说，就是连续7次采样输出电压值，然后对采样值进行中位值滤波，接着把采样值与系统设定电压值进行比较，求出偏差E(k),再判断此时的偏差是否在允许的范围内，如果是，则不改变SA8282中的控制数据，如果超过了允许范围，就采用前述的PI控制算法去计算出此时的控制调制幅度值，再对SA8282的控制寄存器进行编程，从而使SA8282输出的SPWM波的脉宽幅度随输出电压值变化，使IGBT的导通和关断时间发生变化，输出电压稳定在220V。 图4-2 系统主程序设计流程图图4-3中还指出了电源发生输入过压、欠压，输出过流或元器件过热时的处理过程：当电源系统中的单片机检测到过压、欠压、过流或过热信号时，置报警标志位为1，同时启动定时器T0，当定时器定时时间到后，单片机再检查过压、欠压、过流或过热信号是否仍然存在，若存在，则关闭输出并发出故障报警，若过压、欠压、过流或过热信号已不存在了，则不关闭输出也不发出报警，报警标志位清0。这样处理，我们可以有效地防止电源的故障误报警。T0中断开始中断启动位清0报警标志位清0过压、欠压、过流、过热？中断返回关断电源输出、报警NY图4-3 系统子程序流程图4.3软件抗干扰技术本电源系统的现场运行环境恶劣，干扰严重，对单片机运行的可靠性和安全性有很高的要求，除了在硬件电路上需要安排一些必要的抗干扰措施外，还需在软件上采用抗干扰技术。叠加在被测模拟输入信号上的噪声干扰，会导致较大的测量误差，但由于噪声的随机性，我们可以通过软件滤波的方法来滤除虚假信号，求出其真实信号。当噪声干扰窜入单片机系统，后果更加严重，可能会导致系统失控，最典型的故障是破坏程序计数器PC的状态，导致程序从一个区域跳转到另一个区域，或者程序在地址空间内“乱飞”，甚至陷入“死循环”。为了将“乱飞”或陷入“死循环”的程序重新纳入正轨，我们可采取一些必要的软件抗干扰措施，常用的有软件陷阱技术和看门狗技术。1.软件陷阱技术当乱飞的程序进入非程序区，我们可以设置软件陷阱，将其迅