基于单片机的SPWM变频调速器设计.doc

本科毕业设计说明书基于单片机的SPWM变频调速器设计DESIGN OF SPWM FREQUENCY CONVERTER BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER学院（部）： 电气与信息工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化 学生姓名： 指导教师： 2013年5 月30 日安徽理工大学毕业设计基于单片机的SPWM变频调速器设计摘要变频器具有调速精度高、响应快、保护功能完善、过载能力强、节能显著、维护方便、智能化程度高、易于实现复杂控制等优点。从变频器技术发展来看，电动机交流变频技术将成为今后工业自动化的主要对象之一，是当今节能、节电、改善工艺流程，以及提高产品质量和改善环境、推进技术进步的一种主要手段。变频器的发展趋势是小型化、智能化、多功能、大容量、低价格的方向。本文重点介绍了C8051F040单片机硬件和软件设计，硬件电路方面详细阐述了单片机的最小系统及外围电路；软件设计方面，首先，通过单片机的可编程计数器阵列PCA来实现输出频率可变的正弦脉宽调制控制波形，具体包括PCA的设置和16位SPWM实现的软件编程；其次，给出单片机内部的频率捕捉程序和软件设计；最后，分析了单片机最小脉冲的解决方法。该SPWM波形控制方法简单，精度较高，效率高，实时性好。目前市场相继推出的数字式SPWM变频器中，大多数都采用了专用的SPWM芯片（如HEF4752，SLE480）.这样可以使编程简单，但增加了投入，鉴于此，本设计主要是通过单片机的控制，产生SPWM波形的变频器，从而降低变频器的成本，可以使变频器得以推广。关键词：单片机,SPWM ,变频器DESIGN OF SPWM FREQUENCY CONVERTER BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTERABSTRACTFrequency converter speed control precision, fast response, good protecting function, strong overload capacity, energy saving significantly, convenient maintenance, high intelligent degree, easy to realize complex control, etc. From the inverter technology, ac. frequency conversion electric motor technology will become one of the main object in industrial automation, is the energy saving, power saving, improve process flow, and improve product quality and improve the environment, one of the main means to promote technological progress. Inverter is the development trend of miniaturization, intelligent, multi-functional, large capacity, low price direction. 自动检测 汉-英 汉-日 汉-韩 汉-法 英-汉 日-汉 韩-汉 法-汉This article focuses on the C8051F040 microcontroller hardware and software design, hardware circuit aspects in detail elaborated the SCM smallest system and the peripheral circuit; Software design aspects, first of all, through the single-chip microcomputer programmable counter array PCA to realize the output variable frequency sinusoidal PWM control waveform, including the setting of PCA and 16-bit SPWM realization of software programming; Second, given the frequency of the single chip microcomputer internal capture program and software design; Finally, the paper analyzes the single chip microcomputer minimum pulse solutions. The SPWM waveform control method is simple, high precision, high efficiency and good real-time.Launched digital SPWM inverter in the market at present, most of them adopt the SPWM dedicated chip (such as HEF4752, SLE480). This allows the programming is simple, but increase the investment, in view of this, this design is mainly controlled by MCU, produces SPWM waveform of the inverter, and reduces the cost of the inverter, can make the inverter to promotion.KEY WARDS: single chip microcomputer, SPWM, the inverter目录摘要I1 绪论11.1 国内外的发展现状11.1.1 国内的发展现状11.1.2 国外的发展现状11.2 研究背景21.3 本论文的组织和结构32 变频器的控制及其原理42.1 变频器简介42.1.1 变频器的分类42.1.2 变频器的应用领域42.2 变频器的原理42.2.1 交交变频42.2.2 交直交变频52.2.3 变频器的电路图62.3 SPWM变频器IGBT输出的调制方式72.3.1 SPWM原理72.3.2 SPWM的调制方式82.4 U/f的控制方式113 硬件设计133.1 硬件系统原理框图及其总体方案133.1.1 系统结构框图133.1.2 专用芯片SLE4520结构及简介133.2 C8051单片机简介153.2.1 单片机的发展153.2.2 单片机的最小系统153.2.3 单片机的键盘及显示电路163.3 IGBT驱动及其电路203.3.1 IGBT 简介203.3.2 IGBT驱动203.3.3 IGBT的保护电路223.4 控制电路设计234 软件设计254.1 SPWM波的生成254.1.1 计数器阵列PCA254.1.2 SPWM波形的生成274.2 16位的SPWM软件编程284.3 频率的捕捉程序294.4 最小脉冲问题分析305 结论与展望315.1 变频器的结论315.2 设计的展望31参考文献33致谢36V1 绪论随着电力电子技术和微机控制技术的进步，为交流电力拖动的开发创造提供了更有利的发展条件。而全球能源危机更促进了具有节能作用的交流传动系统的推广和使用。随着变频器的普及，其在国民生产及建设中扮演着越来越重要的角色。1.1 国内外的发展现状1.1.1 国内的发展现状 目前，在国内有不低于200家的低压变频器厂商，其大部分为AC380V的低压产品，而在高压大功率变频器方面，在30家左右。由于罗宾康没有在中国申请专利保护，因此绝大多数厂家都采用美国罗宾康的技术即单元串联多重化结构。国内变频器产品多为通用的电压等级为AC (Alternating Current) 380V的中小功率产品，而在变速恒频风力发电系统所需要的高压大功率双向变频器，成熟产品不多。国内对变速恒频风力发电有较深研究的大学有：清华大学、沈阳工业大学、浙江大学等。从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1015年。在数字化系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷场机方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的V/F控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。 随着技术研究的进一步深入，在理论上和功能上国产变频器与进口的变频器相比肩，但受工艺技术的限制，与进口产品的差距还是比较明显。例如，国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场，并加快了本地化的步伐；具有研发能力和产业化规模的逐年增加；国产高压变频器的功率也越做越大，国内高压变频器的技术标准还有待规范；与变频器相关的产业很不发达；生产工艺一般，可以满足变频器产品的技术要求，价格相对低廉；变频器中使用的功率半导体关键器件完全依赖进口，而且相当长时间内还会依赖进口；与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中；已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器；部分厂家已经开发出四象限运行的高压变频器，矢量控制的高压变频器也已经在使用。1.1.2 国外的发展现状国外各大品牌的变频器生产商，起步较早，初步形成了系列化的产品，如ABB公司的ACS-1000系列，Simense公司的SIMOVERT MV系列，AB公司的Power Flex 7000系列等，其控制系统也己实现全数字化。ABB公司的ACS-1000系列采用了IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors）器件，功率范围为315KW-5000KW，输出电压范范围为2.3 kV-6 kV，电压源型三电平结构并提供有源前端( AFE，Active Front围为2.3 kV-4 kV，采用电压型三电平结构，并提供有源前端( AFE，Active Front End)技术，可以实现能量双向流动。SIMENSE公司的SIMOVERT MV系列采用最新的HV-IGBT(High-Voltage Insulated Gate Bipolar Transistor)器件，输出电压End)技术。ABB公司的Power Flex 7000系列采用6.3KV 800A/1500A的SGCT (Symmetrical Gate Commutated Thyristors)器件，功率范围为150KW-6770KW，输出电压范围为2.3 kV-6 kV，兀需熔断器，有12脉冲整流和PWM整流两种整流方式，提供AFE有源前端技术，可以实现能量的双向流动。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。其现阶段发展情况主要表现如下：技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模；能够提供特大功率的变频器，目前已超过10000KW；变频调速产品的技术标准比较完备；与变频器相关的配套产业及行业初具规模；能够生产变频器中的功率器件，如IGBT、IGCT、SGCT等；高压变频器在各个行业中被广泛应用，并取得了显着的经济效益；产品国际化，当地化加剧；新技术，新工艺层出不穷，并被大量的、快速的应用于产品中。1.2 研究背景中国产值能耗是世界上最高的国家之一，要解决产品能耗高的问题，除其它相关的技术需要改进外，变频调速技术已成为节能和提高产品质量的有效措施，变频调速的重要性日益得到了国家的重视，在国内推广变频器调速技术有着非常重要的意义和巨大的经济及社会价值。据有关资料分析，我国能源利用率为30%，比国外先进水平低约20%，估计节能潜力约为每年3亿吨煤，再加上我国存在大量可利用的工业“三废”和可利用的再生资源，环境管理也要求节能防污染，推广节能为主的方针确实是国家的头等大事。国家“十二五”提出继续坚持走“资源节约型，环境友好型”发展道路，这也为变频器的推广和使用奠定了坚实的基础。伴着变频器的应用范围不断扩大，其产品也有两个方向，一是无需调整就能得到最佳运行的高性能变频器，另一是通过简单的控制就能运行的小型及操作方便的变频器。除此之外，还有是从安全环保的角度考虑，对变频器提出一些要求：扩大调速范围；确保高起动转矩；抑制输入电流的高次谐波；价格便宜；体积小，重量轻。电压型正弦脉宽调制（SPWM）变频器以其独有的技术优势而的到快速的发展和使用。在SPWM波形生成法中，已很少采用模拟的方法。数字方法在可靠性、灵活性、可控性等方面具有模拟方法无法相比的优越性。目前市场相继推出的数字式SPWM变频器中，大多数都采用了专用的SPWM芯片（如HEF4752，SLE480）。这样可以使编程简单，但增加了投入，鉴于此，本变频器采用C8051单片机实现输出频率可变的SPWM波形，并将输出的SPWM波形去控制交流电机。1.3 本论文的组织和结构本文组织和结构如下：第一章绪论，阐述了变频器国内外发展现状以及研究背景，并且点明了主要的研究内容；第二章分析了该变频器各个组成部分的原理，包括变频器的原理，SPWM技术原理，及U/f控制方式；第三部分是硬件设计部分，首先画出系统原理框图及对应的主电路图，之后画出并分析单片机的最小系统及相应的单片机外围电路，其次给出IGBT简介及其驱动，最后介绍驱动保护电路；第四部分是软件设计，在软件设计中主要是利用C8051单片机可编程计数器阵列PCA来实现输出频率可变的SPWM波形，从而控制交流电机进行变频工作。具体包括SPWM波形生成，可编程计数器阵列PCA的设置，16位的SPWM软件编程，频率的捕捉，程序流程图和最小脉冲问题分析；最后，给出变频器的相应的结论及展望。2 变频器的控制及其原理2.1 变频器简介变频器是新型的对交流电动机进行变频调速的装置，近年来随着电力电子技术、微处理控制技术和自动控制技术的迅速发展，变频器具有的调速精度高、响应快、保护功能完善、过载能力强、节能显著、维护方便、智能化程度高、易于实现复杂控制等优点。从变频器技术发展来看，电动机交流变频调速技术将成为今后工业自动化的主要发展对象之一，是当今节能、节电、改善工艺流程，以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频器的发展趋势是 向小型化、智能化、多功能、大容量、低价格的方向迅速发展的。 2.1.1 变频器的分类（1）按变频器的结构分变频器可分为直接变频（交交变频）和间接变频（交直交变频）。在交直交变频中按直流侧性质，有电压型和电流型变频器；按输出电压调节方式，有脉冲幅值调制（PAM）和脉冲宽度调节制(PWM)。（2）按变频器的应用领域分有通用变频器和专用变频器等。在工程实际中使用的变频器大多是交直交脉冲宽度调制。2.1.2 变频器的应用领域交流电机变频调速已成为当代电动机调速的潮流，它以体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强、可靠性高、操作简便、便于通信等功能优于以往的任何调速方式，因而在钢铁、有色、石油、石化、化纤、纺织、机械、电力、电子、建材、煤炭、医药、造纸、注塑、卷烟、吊车、城市供水、中央空调及污水处理行业得到普遍应用。国内变频器大多是日、美、欧发达国家变频调速技术进入我国市场和国产企业联合的产物，变频器在技术上向高性能、模块化、专用化、多功能发展。用量不断增加，价格不断降低，行业组合兼并的结果，有向国外拓展的可能。2.2 变频器的原理2.2.1 交交变频 交交变频器可将工频交流电直接转换为可控频率和电压的交流电，由于没有中间直流环节，因此称为直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称为周波变换器。 交交变频器输入功率因数低，谐波含量大，频谱复杂，最高输出频率不超过电网频率的一半，一般只用于轧钢机主传动、球磨机等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电动机传动时，可以省去庞大的齿轮箱。2.2.2 交直交变频 交直交变频是现代我们常使用的变频器，因此，本章主要以交直交变频器为例，来介绍变频器的结构及其原理。交直交变频器是先将工频交流电经过整流变换成直流，再经过逆变器变换成频率和电压可空的交流电。交直交变频器的电路可分为控制电路、整流电路、中间电路和逆变电路四个主要部分。其电路图2-1：图2-1 交直交变频器结构原理图（一）控制电路变频器的控制电路是变频器的核心部分之一，控制电路将信号传递给整流电路、中间电路和逆变器，同时控制电路也接收来自这些部分的反馈信号。简单说，就是控制电路要控制变频器的半导体器件，进行变频器与周边电路的数据交换并收集和处理故障信息还要执行对变频器和电动机的保护功能。控制电路运用了微处理技术，而微处理技术的进步已经使数字控制成为现代控制的发展方向。由于运动控制系统是快捷系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。现在，将处理器集成在变频器上以后，减少了大量计算的同时，也增加了控制电路的速度，同时。微处理技术的高速发展和进步也减少变频器的体积，并且，数字控制使硬件简化，而柔性的控制算法又使控制具有很大的灵活性，可实现复杂的系统连接并进行数据传输，便于故障诊断、加强保护和监视功能，使系统智能化。（二）整流器整流器装置是与单相或三相交流电源相连接的半导体器件的装置，产生脉动的直流电压。即整流器就是将交流电变换为直流电的整流装置。整流器是直流调速器和交流变频器中的主要部分，由于整流器功率越来越大，如轧钢机拖动的晶闸管拖动系统，功率可达数千千瓦，为了减轻整流装置的高次谐波对电网的污染，可采用十二相及以上的多相整流电路。整流器有可控与不可控的两种类型。变频器中的整流器可由二极管或是晶闸管单独构成，也可由两者共同构成。由二极管构成的是不可控整流器，由经扎管构成的是可控整流器。其两者共同构成的半控整流器。图 2-1 中的整流部分是由VD1到VD6组成的三相桥式整流电路，是共阴极与共阳极组的串联。在电压正负半周，都有相应的晶闸管导通，每周有六次脉冲，也称为六脉波整流。从线电压方面看，不管正负半周，都能使相应晶闸管导通，从而使三相的线电压能够整流出六脉波的直流电压。它们将工频的380V交流电整流成直流电，考虑直流部分电容对电压的抬高作用，直流电压表达式为：式中 电源的线电压。（三）中间电路中间电路是整流器与逆变器中间的控制电路，是一个能量的存储装置，不同设计结构的中间电路有不同的附加功能，在交直交变频器中，由于逆变器的负载都是感性的，无论电动机处于电动还是发电制动状态，器功率因数总不会为1，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，因此在中间直流电路中需要有储存无功能量的原件。因为这种无功能量要靠中间直流环节的储能原件来缓冲，所以又常称中间直流环节为中间的直流储能环节。其中有电流源型和电压源型两种中间环节。（四）逆变器逆变器就是把中间环节的直流电变换为交流电的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。逆变分为有源逆变和无缘逆变。而变频器的逆变器属于无源逆变，也是变频器的最后一个环节，由6个全控功率开关元和6个反向并联的二级管组成。通过6 个全控功率开关元件反复的关断，实现三相的逆变。本设计的功率开关元器件使用的是绝缘栅双极性晶体管（IGBT）。它是由双极性三级管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。2.2.3 变频器的电路图本设计变频器的电路框图，变频器采用单片机控制，为了使用和操作方便，可增加红外线遥控电路。电路框图2-2：图 2-2变频电路框图2.3 SPWM变频器IGBT输出的调制方式变频器IGBT输出的调制方式有两种：一是调压调频（PAM）,一是脉宽调制（PWM）。PWM被用于中间电路电压可变的变频器，频率控制时，输出电压频率通过逆变器改变工作周期来调节。目前，为了产生于频率相对应的三相交流电压，采用最广泛的调试方式是脉宽调制即PWM。2.3.1 SPWM原理脉宽调制技术简称PWM，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。脉宽调制是一种应用比较普遍的控制方式，脉宽调制是保持逆变器的工作频率不变，即载波频率不变，而改变IGBT的导通时间或截止时间来改变占空比的调制方式。其中脉冲宽度按正弦规律变化的PWM则称为SPWM即正弦脉宽调制技术。SPWM技术原理是利用一个三角波和一个正弦波进行比较，得到一个宽度按正弦波规律变化的脉冲序列，用它们来驱动逆变器开关管的开关转换。由单片机来实现SPWM控制，根据软件编制的方法不同分为表格法和实时计算法两种方法。表格法是预先将SPWM波的所有数据都算出来，存入ROM中，然后再根据调频指令将这些数据顺序取出，由输出口输出，控制逆变器的开关动作。这种方法要占用大量的内存，无法实时处理。实时计算法是建立数学模型，并在ROM中只预先存储一个单位基准正弦波。运行时，根据指令的要求，由单片机计算出调制系数及给定的频率的开关点，然后由单片机采用软硬件结合的方法得到所需调制系数及频率下的SPWM信号。本文采用的是实时计算法中常用的对称规则采样法，即利用经过采样的正弦波与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。图2-3所示是典型的单极性对称规则采样法，它只在三角波的峰值时刻采样正弦调制波，并将采样值保持，分别取保持值作为脉冲宽度时间。图中为三角波的周期，同时也是采样周期；为三角波的高，正弦波为。根据三角形相似关系可得； 所以其中，调制比，t为采样点时刻。则脉冲宽度为采样点时刻t只与载波比N有关。对于图2-3所示，有，其中k=0,1,2，N-1，。图2-3 对称规则采样法在对称规则采样法情况下，只要知道采样点时刻t就可以确定这个采样周期内的脉冲宽度和时间间隔，从而可以计算出SPWM波形高、低脉冲的宽度。2.3.2 SPWM的调制方式随着微处理技术的发展，SPWM技术日趋成熟，但其基本的调制规则并没有改变。主要有：（1）基于载波的对称调制与非对称调制这种基本调制规则是以正弦参考波作为“调制波”(Modulating Wave)，并以N倍调制波频率的具有分段线性特性的三角波或锯齿波为“载波”（Carrier Wave），将载波与调制波相交，就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于正弦调制波函数的方波脉冲序列。其调制波形如图2-4所示:a三角载波SPWM及其脉冲序列 b锯齿载波SPWM及其脉冲序列图 2-4 三角载波和锯齿载波的SPWM及其脉冲序列其中： 载波比 调制度 为载波频率 为调制波频率调制波载波 调制波幅值 载波幅值(2)异步调制对于任意的调制波频率，载波频率恒定的脉宽调制称为异步调制。异步调制中载波频率保持一定，因而当调制波频率变化时，调制波信号与载波信号不能保持同步，即载波比与调制波频率成反比。异步调制具有以下特点：（a）由于固定，因而逆变器具有固定的开关频率。（b）当变化时，载波比N与成反比。例如：当变高时，载波比N变小，即一个调制波周期中的脉冲数变少；而当变低时，载波比N变大，即一个调制波周期中的脉冲数变多。（c）当固定时，一个调制波正、负半个周期中的脉冲数不固定，起始和终止脉冲的相位角也不固定。换言之，一个调制波正、负半个周期以及每半个周期中的前后1/4周期的脉冲波形不具有对称性。不同时的异步调制SPWM波形如图2-5所示。(a) (b) 图2-5 不同调制波频率（）时的异步调制SPWM波形(3)同步调制对于任意的调制波频率，载波比保持恒定的脉宽调制称为同步调制。在同步调制中，由于载波比保持恒定，因而当调制波频率变化时，调制波信号与载波信号应同步，即载波频率与调制频率成正比，同步调制特点：（a）由于与成正比，因而当变化时，也相应变化，这就使逆变器的开关频率不固定。例如：当变高时，同步变高，从而使开关频率变高；而当变低时，同步变低，从而使开关频率变低。(b)由于载波比N保持一定，当变化时，一个调制波周期中的脉冲数将固定不变。（c）当载波比N为奇数时，一个调制波正、负半个周期以及半个周期中的前后1/4周期的脉冲波形具有对称性。不同调制波频率 ()时的同步调制SPWM波形如图2-6：(a) (b) 图2-6不同调制波频率 ()时的同步调制SPWM波形2.4 U/f的控制方式变频器的控制模式常用的有U/f控制模式和矢量控制模式两大类，在原理上最简单的是U/f控制模式。其中常用和主要的控制方式是恒压频比控制、转差率控制、矢量控制、直接转矩控制等。变频器的恒压频比控制方式，即U/f控制，属于转速开环控制方式，无需速度传感器，控制电路也相对简单，负载可以使通用的标准型异步电动机，通用性强、经济性好，是目前变频器使用较多的一种控制方式。这种控制方式使电动机的磁通基本不变。保持磁通基本不变的方式是通过在变频调速中保持电动机每级磁通量m为额定值来是实现。三相异步电动机定子的相电动势的有效值为式中 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，V；定子频率，；定子每相绕组匝数；基波绕组系数；每极磁通量，。 则： = =式中 在变频调速时，要保持不变，则希望不变，但不容易控制，由于式中： 定子电压；定子侧阻抗；在额定电压下，非常小，可以忽略，所以通常使保持不变，可以保证 不变。3 硬件设计3.1 硬件系统原理框图及其总体方案3.1.1 系统结构框图SPWM变频器的总体结构框图如图3-1所示：由频率给定环节给出所要求的频率，该信号为模拟量，经A/D转换变成数字量传送给单片机8051.在单片机中设置了一套控制程序，经过软件控制，单片机将一组与频率给定值相对应的数据输送给SLE4520专用芯片，由该芯片产生相应的SPWM调制波控制三相功率电路。经放大后的SPWM调制波加到三绕组上，从而控制其转速。改变频率给定值，就可以实现调速。图 3-1 硬件系统结构框图3.1.2 专用芯片SLE4520结构及简介在变频器控制电路中，采用SLE4520专用芯片产生SPWM调制波，电子组件SLE4520是德国西门子（SIEMENS）公司生产的一种大规模全数字化CMOS集成电路。它是一个8位可编程的脉宽调制器，可以同时将三个8位数字量转换成相应脉宽的矩形波信号。将SLE4520与单片机8051及相应的软件结合后，直接可以用简单的方式产生三相逆变器所需要的6路控制信号。由于软件编程的灵活性，几乎可以是实现任意的曲线调制（正弦波、三角波）和任意的相位关系。图3-2为SLE4520的内部结构。图 3-2 SLE4520的内部结构SLE4520内部集成了一个震荡电路，只要在外部接上一定频率的晶振，就可以得到相应的频率。这个频率还可以引给8051单片机作为时钟频率。片内集成有一些可编程分频器，可以根据不同的要求对晶振频率进行分频。分频因数有8级。在芯片外部设置了一个8位数据总线接口。在其内部通向这个数据总线接口的有三个8位寄存器，用来接收产生三相脉宽调制信号的三个数字量。两个4位寄存器用来接收死区时间及分频因数。一个地址译码锁存器，对芯片内部各寄存器地址进行锁存译码。为了防止从通电到芯片开始正常工作这段时间内输出信号电平失去控制，造成逆变主回路短路，在输出处设置了一个“禁止”（INHIBIT）信号。当它为高电平时，6路输出波均强制定为高电平状态，即输出被闭锁，6个开关管均处于关断状态。SLE4520另外还集成了一个RS触发器，当它的SET-STTATUS(S)端置于高电平时，则禁止输出；要开放输出，只要在CLEAR-STATUS端给一个高电平清楚信号即可。同时设置了一个状态输出端，可用于显示单片机的应答，从而可以方便地实现各种保护功能。3.2 C8051单片机简介3.2.1 单片机的发展单片机根据其基本操作处理的位数可分为8位单片机机、16位机单片机、和32位单片机。1971年微处理器研制成功不久，就出现了单片机。其发展大致经历了三个阶段：第一阶段（19761978）：低性能单片机阶段；第二阶段（19781982）：高性能单片机阶段；第三阶段（1982现在）8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机提出阶段。本设计采用的是C8051单片机，它是8位的单片机。C8051F040单片机是完全集成的混合信号芯片上系统模型MCU，具有64个数字IO引脚，片内集成了一个CAN2.0控制器。主要特性如下：高速流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）；控制器局域网（CAN2.0B）控制器，具有32个消息对象，每个消息对象有其自己的标识；全速、非侵入式的在系统调试接口；真正12位、100ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；允许高压差分放大器输入到12位ADC，增益可编程；真正8位5000ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；64KB可在系统编程的FALSH存储器；4352字节的片内RAM；可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口；硬件实现的SPI、SMBs/C和两个UART串行口；5个通用16位的定时器；具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；片内有看门狗定时器，VDD监视器和温度传感器。和时钟振荡器的C8051F040器件是真正能够独立工作的片上系统所有的模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FALSH存储器还具有在系统重新编程的能力，可用于易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。每个MCU都可工作在工业温度范围（）工作，工作电压为2.73.6V。端口I/O，RST和JTAG引脚都允许5V的输入信号电压。C8051F040为100脚TQFP封装。3.2.2 单片机的最小系统最小系统通常要包含: xtal1与xtal2之间接有只两脚晶振。6M或12M晶振+2片30P的瓷片电容;复位电路:电解电容22u+10K电阻;限定8051/8031时，必须外扩8K程序存储器：一片2764（或2864），一片地址锁存：74373；没有显示时，看不见系统是否运行，没有按键，不能实现互动。所以要加上显示；4位LED数码管；一片位码驱动；一片段码驱动：如74240；键盘：多位按键，电路可以与显示合用。动态扫描显示时，同时扫描键盘；显示或按键使用的I/O口可以是P1，P3口。C8051是没有ROM的，最小系统Vcc接5V，GND接地。最小系统的电路图3-3 如下：图 3-3 C8051 单片机最小系统3.2.3 单片机的键盘及显示电路（一）单片机的键盘电路键盘按其结构形式分为编码式键盘和非编码式键盘两大类。单片机系统中普遍使用的非编码式键盘，非编码式键盘一般采用行列式结构，并按矩阵形式排列，其识别闭合键通常有两种方法：一种是行扫描法，另一种是线反转法。本设计采用线反转法，线反转法也是识别闭合键的一种常用方法。该方法比行扫描法速度要快，但在硬件电路上要求行线与列线均需要有上位电阻，故比行扫描法稍复杂些。方法是先向行线送全“0”，读列线；再向列线送全“0”读行线。行两者的读数来确定按下的是那个键。接线图如下图3-4：图 3-4 键盘接口电路图（二）显示电路a）LED数码器结构显示器是单片机的输出器件，种类很多，常用的有LED发光二极管，LED数码管，液晶显示器LCD，阴极射线管CRT等。本设计采用的是LED数码管。LED数码管显示器是一种由LED发光二级管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二级管，其中7个用于显示字符，一个用于显示小数点。故称为7段（也有称作8段）发光二极管数码显示器。结构如图 3-5 。图 3-5 7段LED数码管显示器LED数码显示器有两种连接方法：一是共阳极接法，即把发光二级管的阳极连接在一起够成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二级管的阴极通过电阻与输入端相连；二是共阴极接法，即把发光二级管的阴极连接在一起够成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二级管的阳极通过电阻与输入端相连。b）显示电路为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码，组成一个“8”字形。字符的7段，再加上一个小数点位，共计8段。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动共阴极LED数码管CD4511是一片CMOS BCD-锁存/7段译码/驱动器，引脚排列下图3-6：图 3-6 CD4511引脚其中 DA DB DC DD 为 BCD 码输入，DA 为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有段都消隐，正常显示时，B1端应加高电平。另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a到g是7段输出，可驱动共阴极LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压为+5V时刻使用300欧姆的电阻限流电阻。用CD4511实现LED与单片机的并行接口方法如图3-7:图3-7 显示电路图3-7中为P6口数据输出经驱动输给数码管。CD4511的真值表 3-1 下：表 3-1 数码管显示真值表输入输出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011000011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐0111111000000消隐111XXX锁存消隐3.3 IGBT驱动及其电路功率器件的不断发展，使得其驱动电路也不断的发展，相继出现了许多专用的驱动集成电路。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向和负向电压，栅极电压可由不同的驱动产生。当选择这些驱动电路时，必须给予器件关断偏执的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和点电源的情况。3.3.1 IGBT 简介IGBT采用了MOSFET与GTR的复合结构，因此被称为绝缘栅双极型晶体管。IGBT是三端器件，具有栅极G，集电极C和发射极E。它是个场控器件，通断由栅极电压决定。 大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态时电导调制效应使电阻R减小，使通态压降减小。当栅极射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。一般IGBT的开启电压在25时为26V左右，而实际一般驱动电压取1520V，且关断时施加一定幅值的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻有利于减小寄生振荡，该电阻值应随驱动器件电流额定值的增大而减小。IGBT的等效电路及其电气符号如图3-8：图 3-8 IGBT等效电路及其电气符号3.3.2 IGBT驱动IGBT的输入阻抗高，属于电压控制型器件，要求的驱动功率小，与功率MOSFET相似，因此可以使用功率MOSFET的驱动技术对IGBT进行驱动，不过由于IGBT的输入电容比MOSFET大，故IGBT的关断偏压应比MOSFET的关断偏压要高。IGBT的驱动电路应注意一下几点：（1）IGBT栅极耐压一般为20V左右，因此驱动电路输出端应设有栅极过电压保护电路，通常的做法是再栅极并联稳压二极管或者电阻。（2）尽管IGBT所需驱动功率很小，但由于MOSFET存在输入电容 ，开关过程需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大。（3）为可靠关闭IGBT，防止发生锁定效应，给栅极加一偏压，因此采用双电源为驱动电路供电。IGBT的驱动可以使用分立元件组成驱动电路，也可以使用IGBT专用集成驱动电路。由于分立式IGBT驱动电路中分立元件多、结构复杂，保护功能比较完善的分立电路更加复杂，可靠性和性能都比较差，因此本设计采用IGBT 的专用集成驱动电路。IGBT专用集成驱动电路是专用于IGBT集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路，主要有三菱公司的M596系列、富士公司的EXB850系列、东芝公司的TLP系列、夏普公司的PCP929等。同一系列中不同型号集成电路的引脚和接线基本相同，只是使用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数不同。图 3-9 为由集成电路TLP250构成的驱动器。TLP250内置光电耦合器的隔离电压可达2500V，上升和下降时间均小于0.5微秒，输出电流达0.5A，可以直接驱动50A/1200V以内的IGBT。外加推免放大晶体管后，可以驱动电流容量更大的IGBT。由于TLP250构成的驱动器件体积小，价格便宜，是不带过流保护的IGBT驱动器件中较理想的产品。图 3-9 IGBT驱动电路3.3.3 IGBT的保护电路在实际使用中，由于IGBT的耐过压和过流能力较差，一旦出现意外就会损坏，为此，必须对IGBT进行相关的保护。主要保护包括过流、过压与过热。1. 过流保护生产厂家对IGBT的安全工作区有严格的限制条件，且IGBT承受的过电流时间仅为几微妙，耐过流量小，因此使用IGBT要考虑过流保护。产生过流的原因有晶体管、二极管损坏，控制与驱动电路故障、干扰等引起误动，输出线接错，绝缘损坏等形成短路，输出端对地短路及电机绝缘损坏、逆变桥的桥臂短路等。1）驱动电路无保护功能。这种情况在主电路中要设置过电流检测器件。本文采用的是经电流互感器TA串接于主回路的每个IGBT上，其直接反应每个IGBT的电流，测量精度高。过电流检测出的电流信号，经光耦合管向控制电路输出封锁信号，从而关断IGBT的触发，实现过电流保护。2）驱动电路中设有保护电路。采用IGBT及与之相配套的专用驱动混合电路保护模块设计变频器，短路时的过电流保护按模拟直通短路条件进行参数设定，从而在器件未关断之前将其关断，以实现对器件的保护。2. 过电压保护IGBT在由导通状态关断时，电流Ic突然减小，由于电路中的杂散电感与负载电感的作用，将IGBT的C、E两端产生很高的浪涌尖峰电压，而IGBT的耐压能力较差，使IGBT击穿。因此，其过压保护也十分重要。1）尽可能减小电路中的杂散电感。对模块设计制造者要求优化模块内部结构，减小寄生电感；对使用者要求优化主电路结构，减小杂散电感。在整个线路上加低阻低感退偶电容，进一步减少线路电感。2）采用吸收电路。吸收回路的作用是当IGBT关断时，吸收电感中释放的能量，以降低关断过电压。常用的吸收回路有两种，如图3-10所示，在实际工作中，电容C选用高频