dq103采用SLE4520集成电路的三相SPWM异步电动机变频调速系统设计
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dq103
采用
SLE4520
集成电路
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系统
设计
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控制回路的设计一 系统控制回路的方框图设计方案中已经确定利用SLE4520大规模集成电路产生三相SPWM波形，进而控制大功率晶体管，达到调速目的。如图所示。1 系统控制回路工作原理图的说明。当系统合上电源开关后，在拨码盘上给定一定转速，单片机经过扫描采样，读取给定转速，并换算为与之相对应的F，经查表计算求得脉冲周期T及脉冲宽度。脉冲周期经处理送入T0作定时初值，脉冲宽度先存入片外RAM中，当把U，V，W相的脉冲宽度都算好存入RAM后，F开始计时，之后单片机开始处理显示部分，把实际测得的转速送到LED上显示。T0计数到后才开始中断，8031给T0重新置初值，并逐相把脉冲宽度送入SLE4520的减法计数器中，然后开放SLE4520中，SLE4520里面的计数器开始计数，单片机重新去采样给定转速，如给定转速没有变化，则重新开始计算，又开始重复前面的过程。如此循环工作下去，当电路发生过流，过压等现象时，由检测电路向8031发出信号，同时向SLE4520的INGIBIT引脚发出封锁信号封锁SLE4520，以防止逆变器过载、短路等故障。由于变流调速系统的闭环控制较困难，但是在本设计中对转速的精度要求并不是很高，采用开环控制就可达到控制要求，故本设计采用的是开环控制，其结构简单，成本低，而且系统稳定性好。二 SLE4520的介绍SLE4520是一种三相PWM集成电路，它是一种应用ACMOS技术制作的低功耗高频大规模集成电路，是一种可编程器件。它能把三个8位数字量同时转换成三路相应脉宽的矩形波信号，与8位或1位微机联合使用，可产生三相逆变器所需的六路控制信号，输出的SPWM波的开关频率可达20KHZ，基波频率可达2600HZ，因此，适用于IGBT逆变器或其他中频电源逆变顺。SLE4520为双列直插式28脚芯片，如图所示。它有13个输入端、5个控制端、8个输出端、2个电源端。分别说明如下1 13个输入端。1). XTAL1（2脚）、XTAL2（3脚），为外接晶振输入端，可外接12MHZ晶，为SLE4520内部各单元电路提供一个外接参考时钟。2). P7P0（4脚11脚），为8位数据输入端，与8位CPU的数据总线相接。其功能是将微机输出的命令或数据送入SLE45203). WR非（24脚），为来自微机的地址锁存允许脉冲信号输入端，与微机的ALE相连。它与来自微机的WR非信号一起对SLE4520内部的3个8位数据寄存器、2个4位控制寄存器，根据程序中设定的地址信号进行选择。4). SYNC（27脚），为来自微机的触发脉冲信号输入端，与微机的输出端相连。该端输入信号控制3个可预置8位减法计数器是否开始进行递减运算。2 5个控制端1). CLEARSTATUS（21脚）及SETSTATUS（22脚），为通断状态触发器的两个输入端，即清零端与置位端。可接保护电路的输出或接微机的输出。清零端有效则开通SLE4520的SPWM信号输出端；置位端有效则关断SPWM信号LWBMUMD。2). RES（23脚），为SLE4520的复位端，可与微机位电路的输出相连。该端为高电平时，使SLE4520内部各状态锁存器、计数器等复位，保证开机时从相同状态开始工作。3). CS（26脚），为SLE4520的片选信号输入端，可与微机系统的译码电路输出端相连。该端为高电平时。SLE450芯片被选通工作；为低电平时，该芯片不工作。4). INHIBIT（19脚），为脉冲封锁端，接保护电路的输出。该端为高电平时SLE4520的输出全被封锁，可用作逆器各种故障保护的封锁脉冲端。3 8个输出端1). PH1/1（18脚）、PH1/2（17脚），PH2/1（16脚）、PH2/2（14脚），PH3/1（13脚）、PH3/2（12脚），为别为逆变器U、V、W三相上、下桥臂开关器件的控制信号输出端，接三相逆变器驱动电路的输入端，提供驱动三相逆变器的SPWM信号。2). STATUS（20脚），为通断状态触发器的输出端，可接一个指示器，用以指示SLE4520的状态是在输出驱动逆变器状态还是在封锁输出。3). CLKOUT（28脚），为晶振频率输出端，接微机的时钟信号输入端，使微机系统的时钟与SLE4520的时钟保持同步。4 2个电源端1). UDD（1脚），为电源正端，接5V电源。2). USS（15脚），为电源负端，接地。SLE4520内部结构框图及工作原理1 内部结构SLE4520内部结构框图如图所示，共包括17个单元电路：3个（对应于U、V、W）三相的）8位数据锁存器，3个可预置数的8位计数器，3个过零检测器，1个4分频存器，1个可编程1：n预置分频器，1个4位死区时间寄存器，1个1：4地址译码销存器，1个通断控制触发器，1个振荡器，以及1个脉冲放大器。这些单元电路分别与SLE4520采用内部数据总线或控制总经相连。SLE4520采用内部充码结构，各寄存器地址如表所示地址寄存器00U相寄存器01V相寄存器02W相寄存器03死区位移寄存器044分频控制寄存器2数字量如何转换为脉宽在片选信号CS有效、SETSTATUS及INHIBIT端的信号无效的情况下，当ALE、WR非信号有效时，由微机输出的地址数据经由数据总经P0P7写入地址译码锁存器。然后，根据地址译码，由微机输出的SPWM脉宽数据分别写入3个8位数据锁存器。在SYNC端输入触发脉冲信号后，三相的脉宽数据同步地装入减法计数器，并开始进行减1计算。一旦那一相减1计数器减到零，则该相过零零检测器就发出信号，使该相输出由高电平（无效）变为低电平（有效），形成一个脉冲。计数器减到零后即停止工作，直到下一个SYNC端的同步触发脉冲到来，再使该相输出为高电平。3 开关频率的选择减1计数器的减法速度由4位预分频器及可编程分频器控制。这样，可以通过编程方便地改变开关频率，实现输出频率的微调。可编程分频控制器的分频比率由分频控制寄存器设置。数值设置与分频比率的关系如表所列。设置数值计数器分频比率延迟时钟分频比率01：41：411：61：621：81：431：121：641：161：451：241：661：321：471：481：6确定计数器的分频比后，根据下述的方法选择开关频率，即开关频率的周期长度应正好是最在的脉冲宽度。例如，使用8031微机，在12MHZ晶振下，计数器分频比为1：12时，则计数频率为1MHZ，减1一次为1us。因此，若送入计数器的最大脉宽数据为1（7位），则128us时减1计数器到零。因此，开关频率为1/128us7.8KHZ。若送入计数器的最大脉宽数据为0（8位），则256us后减1计数器到零。因此，开关频率为3.9KHZ。下表给出了若干计算结果。分频比率计数频率减1计数器到零的时间（us）开关频率（KHz）分辨率（bit）1：62MHz6415.671：62MHz1287.881：121MHz1287.871：121MHz2563.981：24500KHz2563.971：24500KHz22561.9581：48250KHz22561.9571：48250KHz43560.97584.死区位移寄存器和死区时间设定死区时间是把脉宽市制信号与一个延迟信号结合而获得的。具体地讲，由于SLE4520每一路输出都是低有效，所以死区时间的形成是通过延迟脉冲负沿到来的时刻获得的，而这个“延迟”又是通过一个15位移寄存器来设定的。位移寄存器的时钟，即延迟时钟的频率是由在可编程分频器的分频控制寄存器中设置的数值来决定的。延迟时钟分频比率只有两种，或者是1：4，或者是1：6。可见死区时间决定于3个因素，即晶频率、可编程控制器设置的数值以及位移寄存器的数字设置。下表给出了12MHZ晶振时的死区时间。 死区位移寄存器中的数值设置延迟时钟分频比为1：4时的死区时间（us）延迟时钟分频比为1：6时的死区时间（us）00010.330.520.661.031.01.540.332.051.662.562.03.072.333.582.664.093.04.5103.335.0113.665.5124.06.0134.336.5144.667.0155.07.55 输出级在没有死区时间的情况下，PH1/2的输出信号与PH1/1的输出信号是相反的，PH2、2的输出信号与PH2、1的输出信号是相反的，PH3、2的输出信号与PH3、1的输出信号是相反的，均为低电平有效。输出信号的负沿都向右延迟一个由程序设置的死区时间。输出级电流可达20MA，可直接驱动TTL电路或者隔离用的光耦。输出级可以动态或静态封锁。在INHIBIT（19）脚信号有效期间，SLE4520的六个输出端均被置为高电平。这时，若输出是连接到光耦中发光二极管的阴极，则发光二极管无电流，逆变器的六个开关器件全部被封锁。在开始工作时，封锁输出是很重要的。这是因为只有在晶振输出已建立，并且在初始化程序执行后，才能有正确的脉宽调制脉冲输出。因此，微机必须有一个输出口与INHIBIT端相连，在接通电源后，微机将此输出端口置高电平，封锁输出，而在初始化程序结束后，再将此端口置为低电平，允许SLE4520输出。封锁输出的另一个方法是将状态触发器的端SETSTATUS（22脚）加一高电平。这种方法可用于各种故障保护。故障状态可由状态触发器的输出端STATUS（20脚）接指示器来指示，并可用此信号将故障状态通知微机。故障排除后，给状态触发器的清零端CLEARSTATUS（21脚）输入一个高电平脉冲，即可解除封锁，开通SLE4520的SPWM信号输出。 三8031介绍及其最小应用系统8031是INTER生产的MCS51系列单片机中的一种，无片内ROM，MCS51系列单片机是1980年推出的高性能8位机，它带有串行I/O口，多能中断系统，16位定时/计数器，内置128个字节的RAM，寻址范围64K。8031与MCS51系列的其它芯片相比，虽需要扩展，但扩展方便，控制功能也不多价格便宜，考虑这几个因素，选择8031较为经济。MCS51系列单片机有以下特点：1 受集成度影响，片内存储器容量较小，但可在外部扩展。2 可靠性高。3 易于扩展，系统扩展有程序存储器、数据存储器，I/O口、C/T中断系统及其它特殊功能扩展。4 控制功能强：指令系统有丰富的条件分支转移指令。I/O口逻辑操作及位处理功能。8031单片机介绍8031单片机的封装形式DIP40，其内部包含有：1 一个8位微处理器（CPU）2 128个字节的数据存储器（RAM），无程序存储器（ROM）3 21个特殊功能寄存器4 32根I/O线5 2个16位可编程定时/计数器6 5个中断源，可设定优先级7 一个全双工，可运行于同步/异步方式的串行口8 64K字节外部程序存储器寻址空间9 64K字节外部数据存储器寻址空间 10. 具有位寻址功能，位寻址空间为00HFFH 11. 使用5V电源供电，晶振频率6MHZ 8031外部引脚分为四部分：如图所示1.电源部分：Vss20脚 电源地线Vcc40脚 主电源+5V2.晶振部分：XTAL1 19脚， 内部振荡器外接晶振的一输入端XTAL2 18脚， 内部振荡外接晶振的另一输入端3.I/O口线：P0口 3239脚， 是三态双向口，称为数据总线。P0口还用以输出外部存储器的低8位地址。由于是分时使用，先输出外部存储器的低8位地址，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。然后，P0才作为数据口使用。P1口 18脚，是专门供用户使用的I/O口，是准双向口。P2口 2128脚，也是准双向口。它是供系统扩展时输出高8位地址。如果没 有系统提高警惕，P2口也可以作为用户I/O口线使用。P3口 1017脚，是双功能口，也是准双向口。该口的每一位均可独立定义为第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与P1口相同。引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0 (外部中断0)P3.3INT1 (外部中断1)P3.4T0(定时器0外部中断)P3.5T1(定时器1外部中断)P3.6WR (外部数据存储器写选通)P3.7RD (外部数据存储器读选通)单片机是一个最小应用系统，但由于应用系统中一些功能器件无法集成到芯片内部，比如说晶振，复位电路等，需在片外加相应的电路，且因8031单片机内部无ROM，所以一般情况下需在片外扩展只读存储器。最小应用系统如图所示。图中74LS373是八位锁存器，其内部是八个独立的地址锁存器，G管脚的一个下降沿可使8个输入端的信号恰如 存在8个输出端而不变，直到下一个正脉冲到来时为止，其功能见表片选端OE非锁存信号控制端G功能01直通(Q=D)00锁存(Q不变)1任意输出高阴状态74LS373除了16个输入输出管脚和两个电源管脚以外，还有两个扩展管脚，其中一个是OE非端，即片选 通端，低电平有效，当为高电平时，输出是高阻状态，芯片停止工作，因为单片机要时刻工作，帮OE非端接地，锁存信号控制G为高电平有效，此时74LS373处于透明状态，即各输出端总等于对应的输入信号，没有锁存功能，当G端为低电平时，该芯片不透明，在其下降沿时输入被锁存到各个输出端，此后各输出端不变。 6264静态RAM6264是8K8位的静态随机存储器芯片，它采用CMOS工艺制造，单一+5V电源供电，额定功耗200Mw，典型存取时间200ms，6264为28线双列直插式封装，其管脚如图所示，各引脚功能含义如下：A0A12为片内13位地址线，I/O0I/O7为双向数据线；CS为片选信号线，OE为读允许线；WE为写信号线。6264是8K容量的RAM故用了13根地址线，8031在访问6264时，可以采用以下指令：MOVX DPTR，A； A中内容传到外部RAMMOVX A，DPTR； 外部RAM内容读到A中。 EPROM芯片介绍紫外线擦除，电编程只读存储器EPROM可作为MCS51单征机的外部程序存储器，INTEL公司系列产品，2716(2K8)、2764(8K8)、27512(64K8)，这些芯片上均有一个玻璃窗口。在紫外光照射20分钟左右，存储器中的各位信息均变为1，此时，可以通过编程器将工作程序固化到这些芯片中。2764是8K字节的紫外线擦除，电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA。读出时间最大为250ms。28脚双列直插式封装。其管脚如图所示 各管脚的含义如下：A0A12：13根地址线，可寻赴8K字节；D0D7：8根数据输出线；CE：片选线；OE：数据输出先通线；PGM：编程脉冲输入端；Vpp：编程电源；Vcc：主电源。译码器74LS138是38线译码器，即对三个输入信号进行译码，得到八个输出状态，74LS138是最常用的译码器，其引脚和逻辑框图如图所示其中E1、E2、E3为使能端或译码允许端，当E3=1时，E1、E2=0时，该译码器可以译码。A、B、C为译码选择端，即译码信号输入。Y0Y7为译码输出信号，低电平有效，其真值表如下所示：使能选择译码输出E3 E2 E1C B AY0Y7状态1 0 00 0 0Y0=0 其余为11 0 00 0 1Y1=0 其余为11 0 00 1 0Y2=0 其余为11 0 00 1 1Y3=0 其余为11 0 01 0 0Y4=0 其余为11 0 01 0 1Y5=0 其余为11 0 01 1 0Y6=0 其余为11 0 01 1 1 Y7=0 其余为1三态锁存器对于输出设备的接口电路，一定要通过三态锁存器。当允许手疾眼快输出数据时闩锁打开，当不允许接收输出数据时闩锁关闭。我们使用74LS373锁存器，其 信号G为高电平时有效，常用于分离P0口地址线低8位的锁存器。74LS373锁存器，该芯片是具有使能控制端的8位锁存器，其引脚图及逻辑图如图所示： 各管脚功能如下：D7D0为8位数据输入线Q7Q0为8位数据输出线OE(G)为使能控制信号LE(CK)为时钟控制信号由图中逻辑图可看到74LS373是由D触发器构成的在时钟脉冲CK的上升沿输入数据，D的状态送到Q，而在CK脉冲没有时(CK=0)，Q的状态一直保持一拍的状态，而这时，D和Q呈高阻，D引脚与芯片内部呈三态关系，实现了数据总线的隔离。其真值表如下：GCKDQ1Q0保持0110000Q0保持BCD码拨盘介绍BCD码拨盘是十进制数输入，BCD码输出，它有09十个位置，每个位置有相应的数字显示，代表一个十进制数的输入，而每片拨盘代表一位十进制数，n位十进制数可用n片拨盘并联安装组成，如图所示：BCD码拨盘后面有5个接点，其中A为输入控制线，另外四根是BCD码输出线。拨盘拨到不同位置时，输入控制线A分别与4根BCD码输出线中的某根或某几根接通，其接通的BCD码输出线状态正好与拨盘指示的十进制数相一致，例如拨到8，则A与8接通，拨到9则与8、1接通。下表为BCD码输入输出状态。拨盘输入控制端A输出状态8421010000110001210010310011410100510101610110710111811000911001LED显示屏 显示屏可采用发光三极管LED或LCD，两者各有其特点。 LED特点：发光二根管LED是一种电-光转换半导体器件，在各方面尤其是在
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