PAGE58-特種逆變電源的設(shè)計(jì)摘要隧道、煤礦等場(chǎng)所上使用的窄軌機(jī)車(chē)上經(jīng)常會(huì)用到車(chē)載空壓機(jī)等輔助設(shè)備，但是機(jī)車(chē)上沒(méi)有能直接供車(chē)載空壓機(jī)等使用的交流電，所以就需要一個(gè)逆變電源系統(tǒng)把接觸網(wǎng)的直流電逆變成交流電供給空壓機(jī)等設(shè)備使用。本文針對(duì)當(dāng)前我國(guó)窄軌機(jī)車(chē)上車(chē)載空壓機(jī)等輔助設(shè)備的使用現(xiàn)狀，提出特種逆變電源的設(shè)計(jì)這個(gè)題目。該電源系統(tǒng)直接利用SPWM變頻控制技術(shù)，將機(jī)車(chē)接觸網(wǎng)的直流電550V轉(zhuǎn)化成頻率為50HZ電壓為380V的穩(wěn)定三相交流電，供車(chē)載空壓機(jī)等輔助設(shè)備使用。設(shè)計(jì)的主電路采用IGBT作為主控器件，其驅(qū)動(dòng)電路采用高速型EXB840驅(qū)動(dòng)模塊，并由AT89C51單片機(jī)和集成電路SA8282配合生成SPWM三相正弦波，作為系統(tǒng)的控制電路。此電源的設(shè)計(jì)，極大地方便了生產(chǎn)和應(yīng)用，具有極其良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。結(jié)果表明，由SA8282為控制芯片的逆變電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠,適合于中、小功率的應(yīng)用場(chǎng)合。關(guān)鍵詞：SPWM，SA8282，逆變電源，單片機(jī)

THEDESIGNOFSPECIALINVERTERPOWERSUPPLYABSTRACTThenarrow-gaugetrainsoftenbeusedon-boardaircompressorandotherauxiliaryequipmentintunnelandmine,butthetraindon’tsupplyACfortheon-boardaircompressordirectly,soitisneedforapowerinverterthatcouldputtheDCintoACfortheaircompressorusing.Inthispaper,accordingtheusingofaircompressoron-boardandotherauxiliaryequipmentonourcountry'snarrow-gaugetrain,thesubjectofthedesignofspecialinverterpowersupplyisput.TheinverterpowersystemuseSPWMinvertercontroltechnologydirectly,itcouldputtheDCwhichthevolvageis550VofOCSintoastabilityofthree-phaseACwhichthefrequencyof50HZandthevolvageof380Vforusingofaircompressorandotherauxiliaryequipment.ThemaindesignofcircuituseIGBTasamasterdevice,thedrivecircuitusehigh-speed-baseddrivemoduleofEXB840andituseAT89C51single-chipandlarge-scaleintegratedcircuitsofSA8282togeneratetheSPWMthree-phasesymmetricalsinewave,asthecontrolcircuitinthesystem.Thedesignofthepower,whichisgreatlyfacilitatestheproductionandapplication,andithasgoodeconomicandsocialbenefitsextremely.TheresultsshowthattheinverterpowersupplystructurewhichiscontrolledbytheSA8282issimpleandgoodoutputwaveform,theperformanceisstableandreliable,anditissuitableformediumandlow-powerapplications.Keywords:SPWM,SA8282,inverterpowersupply,MCU

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名：日期：

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日

目錄1緒論 -1-1.1課題背景介紹 -1-1.2特種逆變電源的現(xiàn)狀及發(fā)展前景 -1-1.3主要技術(shù)要求 -3-1.4逆變電源的設(shè)計(jì)思路 -4-2逆變?cè)?-5-2.1逆變的基本原理 -5-2.2逆變技術(shù) -6-2.3正弦脈寬調(diào)制技術(shù) -8-3主電路設(shè)計(jì) -11-3.1特種逆變電源的原理 -11-3.2主電路原理圖及工作原理 -13-3.3.1IGBT的基本特點(diǎn) -15-3.3.2主電路吸收電路的研究 -16-4控制電路設(shè)計(jì) -18-4.1控制電路硬件設(shè)計(jì) -18-4.1.1采樣及A/D轉(zhuǎn)化電路 -21-4.1.2SPWM波形生成電路 -25-4.2控制電路軟件設(shè)計(jì) -28-4.2.1PI調(diào)節(jié)器 -36-5驅(qū)動(dòng)電路和輔助保護(hù)電路設(shè)計(jì) -38-5.1驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) -38-5.2保護(hù)電路的設(shè)計(jì) -41-5.2.1硬件保護(hù) -41-5.2.2軟件保護(hù) -41-5.3輔助電源部分 -41-結(jié)論 -43-致謝 -44-參考文獻(xiàn) -45-附錄A系統(tǒng)控制原理圖 -46-附錄B系統(tǒng)主主電路及輔助電源電路圖 -47-附錄C系統(tǒng)主程序及子程序 -48-1．緒論1.1課題背景介紹隨著科學(xué)技術(shù)和電氣化鐵路的高速發(fā)展，如何使電力能源的利用更加合理化，高效化，已成為急待解決的重要課題。目前，我國(guó)窄軌機(jī)車(chē)上經(jīng)常會(huì)用到車(chē)載空壓機(jī)等輔助設(shè)備，但是車(chē)載空壓機(jī)等設(shè)備需要工頻50HZ電壓380V的交流電，機(jī)車(chē)本身并沒(méi)有提供，就需要把窄軌機(jī)車(chē)接觸網(wǎng)的高壓直流電轉(zhuǎn)化為空壓機(jī)等使用的交流電。因此，開(kāi)始在機(jī)車(chē)上采用DC550V供電系統(tǒng)來(lái)逐步取代原有的車(chē)軸發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)和發(fā)電車(chē)供電統(tǒng)，即將窄軌機(jī)車(chē)接觸網(wǎng)的DC550V轉(zhuǎn)化為三相交流電，供給車(chē)載空壓機(jī)等輔助設(shè)備使用。圖1-1接觸網(wǎng)1.2特種逆變電源的現(xiàn)狀及發(fā)展前景特種逆變電源是專為窄軌機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)的一種直流變壓裝置，它將窄軌接觸網(wǎng)直流高壓電通過(guò)逆變電路變成適合于機(jī)車(chē)低壓系統(tǒng)的電壓，為機(jī)車(chē)的車(chē)載空壓機(jī)等設(shè)備提供電源。逆變電源出現(xiàn)于電力電子技術(shù)飛速發(fā)展的20世紀(jì)60年代，逆變電源的發(fā)展是和電力電子器件的發(fā)展聯(lián)系在一起的，器件的發(fā)展帶動(dòng)著逆變電源的發(fā)展。最初的逆變電源采用品閘管(SCR)作為逆變器的開(kāi)關(guān)器件，稱為可控硅逆變電源。由于SCR是一種沒(méi)有自關(guān)斷能力的器件，因此必須通過(guò)增加換流電路來(lái)強(qiáng)迫關(guān)斷SCR，SCR的換流電路限制了逆變電源的進(jìn)一步發(fā)展。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，自關(guān)斷的電力電子器件脫穎而出，相繼出現(xiàn)了電力晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等等。自關(guān)斷器件在逆變器中的應(yīng)用大大提高了逆變電源的性能。由于自關(guān)斷器件的使用，使得開(kāi)關(guān)頻率得以提高，從而逆變橋輸出電壓中低次諧波的頻率比較高，使輸出濾波器的尺寸得以減小，而且對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性得以提高。最初，對(duì)于采用全控型器件的逆變電源在控制上普遍采用帶輸出電壓有效值或平均值反饋的PWM控制技術(shù)，其輸出電壓的穩(wěn)定是通過(guò)輸出電壓有效值或平均值反饋控制的方法實(shí)現(xiàn)的[1]。一般認(rèn)為，逆變技術(shù)的發(fā)展可分為如下三個(gè)階段。1956—1980年為傳統(tǒng)發(fā)展階段，這個(gè)階段的特點(diǎn)是，開(kāi)關(guān)器件以低速器件為主，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率較低，輸出電壓波形改善以多重疊加法為主，體積重量較大，逆變效率較低，正弦逆變技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)。1981—2000年高頻化新技術(shù)階段，這個(gè)階段的特點(diǎn)是，開(kāi)關(guān)器件以高速器件為主，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率較高，波形改善以PWM為主，體積重量小，逆變效率較高，正弦波逆變技術(shù)的發(fā)展日趨完善。2000年至今為高效低污染階段，這個(gè)階段的特點(diǎn)是以逆變的綜合性能為主，低速與高速開(kāi)關(guān)器件并用，多重疊加法與PWM法并用，不再偏向追求高速開(kāi)關(guān)器件與高開(kāi)關(guān)頻率，高效環(huán)保的逆變技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)。逆變電源之所以能得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)以下功能：(1)逆變電源能將直流電轉(zhuǎn)換為交流電；(2)變頻，逆變電源能將市電轉(zhuǎn)換為用戶所需頻率的交流電；(3)變相，逆變電源能將單相交流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，也能將三相交流電轉(zhuǎn)換為單相交流電。正弦波正弦波PWM波PWM波直流工頻交流整流電路逆變電路輸出變壓器LC濾波電路控制電路驅(qū)動(dòng)電路圖1-2逆變電源結(jié)構(gòu)圖隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對(duì)逆變器控制性能要求的提高，逆變電源也得到了深入的發(fā)展，目前，逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)高頻化；提高逆變電源的開(kāi)關(guān)頻率，可以有效地減小裝置的體積和重量，并可消除變壓器和電感的音頻噪聲，同時(shí)改善了輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。(2)高性能化；高性能主要指輸出電壓特性的高性能。(3)并聯(lián)及模塊化；(4)小型化；(5)輸入功率因數(shù)化；(6)數(shù)字化；(7)智能化。逆變電源是電源系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。逆變電源問(wèn)世以來(lái)引起了國(guó)內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注，現(xiàn)已成為具有影響力和發(fā)展前景的一項(xiàng)高科技產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于通訊、工業(yè)設(shè)備、衛(wèi)星通信設(shè)備、太陽(yáng)能及風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域。近年來(lái)隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)逆變電源的需求與日俱增，逆變電源的開(kāi)發(fā)、研制、生產(chǎn)已成為發(fā)展前景十分誘人的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。目前隨著逆變電源的廣泛應(yīng)用，逆變電源顯示了十分強(qiáng)大的生命力，并具有高集成度，高性能比，最簡(jiǎn)的外圍電路，最佳的性能指標(biāo)等特點(diǎn)。逆變電源的應(yīng)用，特別是特種逆變電源的應(yīng)用將越來(lái)越重要。21世紀(jì)是能源開(kāi)發(fā)、資源利用與環(huán)境保護(hù)互相協(xié)調(diào)發(fā)展的世紀(jì)，能源的優(yōu)化利用與清潔能源的開(kāi)發(fā)，是能源資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。具有世界三大能源之稱的石油、天然氣和煤等化石燃料將逐漸被耗盡，氫能源與再生能源將逐漸取代化石燃料而成為人類使用的主題能源，這種能源的變遷將迫使發(fā)電方式產(chǎn)生一次大變革，使用氫能源與再生能源的高效低污染燃料電池發(fā)電方式，將成為主體發(fā)電方式。因此，逆變電源在新能源的開(kāi)發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位[2]。1.3主要技術(shù)要求(1)裝置的輸入電壓為：DC550V；(2)裝置的輸出為：AC380V50HZ；功率：5KW。1.4逆變電源的設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)中電源系統(tǒng)就適用于窄軌列車(chē)接觸網(wǎng)DC550V供電制式的窄軌機(jī)車(chē)。其主電路采用IGBT的組合電路，提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)控制、自保護(hù)。系統(tǒng)對(duì)過(guò)壓、過(guò)流等故障具有功能強(qiáng)大的診斷系統(tǒng)，從而提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。論文在詳細(xì)分析了機(jī)車(chē)DC550V供電系統(tǒng)對(duì)逆變電源的功能需求和參數(shù)要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)大容量化、集成化、全控化、高頻化及多功能化的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，提出以AT89C51及部分外圍擴(kuò)展芯片和三相波形發(fā)生器SA8282為控制器的三相逆變電源結(jié)構(gòu)方案，完成三相逆變主電路及其開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、吸收電路設(shè)計(jì)。

2．逆變?cè)砟孀儯请娏﹄娮訉W(xué)變換技術(shù)中最主要的一種。電力電子學(xué)，亦稱為電力電子技術(shù)，是應(yīng)用半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制的技術(shù)，它包括電壓、電流、頻率、相數(shù)和波形等方面的變化，電力電子技術(shù)是電力技術(shù)（發(fā)電機(jī)、變壓器等各種電力設(shè)備和處理電能的電力網(wǎng)絡(luò)）、電子技術(shù)（各種電子器件和處理信息的電子電路）和控制技術(shù)（模擬控制理論和數(shù)字控制理論）三者相結(jié)合的一種新型交叉學(xué)科。電力電子技術(shù)誕生于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在已成為理論和科學(xué)體系比較完整，而且又相對(duì)獨(dú)立的一門(mén)科學(xué)藝術(shù)。特別是從20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于電力電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，及其對(duì)工業(yè)發(fā)展所產(chǎn)生的作用，它已被各國(guó)專家學(xué)者稱為是人類社會(huì)繼計(jì)算機(jī)之后的第二次電子革命，它在世界各國(guó)工業(yè)文明的發(fā)展過(guò)程中所起的關(guān)鍵作用，可能僅次于計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)在本世紀(jì)，電力電子技術(shù)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、城市供電、節(jié)能、環(huán)境污染控制等方面的發(fā)展，將會(huì)產(chǎn)生更大的推動(dòng)作用。在這種推動(dòng)作用中，逆變將扮演重要角色[3]。2.1逆變的基本原理逆變器是整流器的逆向變換器，其作用是通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件（如SCR、GTO、GTR、IGBT和功率MOSFET等）的開(kāi)通和關(guān)斷作用，把直流電能變換為交流電能的一種電力電力變化器。由于它是通過(guò)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的，因此變換效率比較高，但變換輸出的波形則很差，是含有相當(dāng)諧波成份的波形，因而還需要交流低通濾波器的濾波。逆變的基本思想是利用電力電子器件的開(kāi)關(guān)特性，通過(guò)控制其導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)獲得交流電。根據(jù)不同的分類角度，逆變的方式多種多樣，從而逆變電路的結(jié)構(gòu)也復(fù)雜多變，下面介紹一種簡(jiǎn)單的典型的單相橋式逆變電路以說(shuō)明逆變的基本原理，單相半橋式逆變電路如圖2-1所示。圖2-1單相半橋式逆變?cè)韴D圖中～是橋式電路的4個(gè)臂，它們由電力電子器件及其輔助電路組成。當(dāng)開(kāi)關(guān)、閉合，、斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓為正；當(dāng)開(kāi)關(guān)、斷開(kāi)，、閉合時(shí)，負(fù)載電壓為負(fù)。這樣，就把直流電變成了交流電，改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。這就是逆變電路最基本的工作原理。逆變器廣泛應(yīng)用于以直流發(fā)電機(jī)、蓄電池、太陽(yáng)能電池和燃料電池為主直流電源的逆變場(chǎng)合。隨著石油、煤和天然氣等主要能源的日益緊張，新能源的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越得到人們的重視。逆變器在新能源的開(kāi)發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位[4]。2.2逆變技術(shù)所謂逆變技術(shù)，就是將直流電能變換成交流電能的技術(shù)。逆變技術(shù)作為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重要組成部分，正成為電力電子技術(shù)中發(fā)展最為活躍的領(lǐng)域之一，其應(yīng)用已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和人們生活的方方面面。在當(dāng)今的PWM逆變器中，輸出變壓器和交流濾波器的體積重量占主要部分。為了減少輸出變壓器和交流濾波器的體積重量、提高逆變器的功率密度，高頻化仍然是主要的發(fā)展方向之一，如提高SPWM逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，采用交流傳動(dòng)用變頻器的內(nèi)高頻環(huán)等。但逆變器的高頻化也存在一些問(wèn)題，如使開(kāi)關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。此外，導(dǎo)體的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，電容的ESR及磁元件的寄生參數(shù)等問(wèn)題都需要解決，其中最主要的就是開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾問(wèn)題。解決這些問(wèn)題最有效地辦法有兩個(gè)：一個(gè)是提高開(kāi)關(guān)器件的速度，二是用諧振或準(zhǔn)諧振的方式使逆變器開(kāi)關(guān)工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。1970年，N．O．Sokal提出了電壓諧振技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)都是用LC于開(kāi)關(guān)器件共同組成一個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)諧振回路，利用回路在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中全諧振使器件工作在零電流轉(zhuǎn)換（并聯(lián)諧振）或零電壓轉(zhuǎn)換（串聯(lián)諧振）的軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而把開(kāi)關(guān)損耗減小到零，這就是最早的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)弗吉尼亞電力電子技術(shù)中心（VPEC）對(duì)諧振技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了準(zhǔn)諧振變換技術(shù)，即把LC回路在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的全諧振改為半諧振或部分諧振，這才使得軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與PWM技術(shù)的結(jié)合成為可能。此后，掀起了全球性研究軟開(kāi)關(guān)逆變技術(shù)的熱潮。PWM軟開(kāi)關(guān)逆變技術(shù)是當(dāng)今電力電子學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究?jī)?nèi)容之一，是實(shí)現(xiàn)電力電子技術(shù)高頻化的最佳途徑。逆變技術(shù)的種類很多，可以按不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類：(1)按輸入電量的形式：電壓型逆變、電流型逆變；(2)按交流輸出的相數(shù)：?jiǎn)蜗嗪腿嗄孀?、多相逆變?3)按主電路使用的開(kāi)關(guān)器件：MOSFET逆變、IGBT逆變、GTO逆變、IGCT逆變；(4)按主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：推挽式逆變、半橋式逆變、全橋式逆變；(5)按輸出交流電量的波形：正弦波逆變、非正弦波逆變；(6)按功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的工作模式：硬開(kāi)關(guān)逆變、軟開(kāi)關(guān)逆變。逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在交流電機(jī)的變頻調(diào)速、不間斷電源、開(kāi)關(guān)電源、變頻電源、風(fēng)力發(fā)電等方面取得了很大的成就?；拘偷姆讲孀兤麟娐泛?jiǎn)單，但輸出電壓波形的諧波含量過(guò)大，亦即THD過(guò)大，移相多重疊加逆變器輸出電壓波形的諧波含量小，亦即THD小，但電路較復(fù)雜。而PWM脈寬調(diào)制式逆變器，既有簡(jiǎn)單的的電路，又可使輸出電壓波形的諧波含量大大減少，亦即具有較低的THD輸出電壓波形，因而得到廣泛應(yīng)用。所謂PWM脈寬調(diào)制技術(shù)（PulsWidthModulation，PWM），是一種參考波（通常是正弦波，有時(shí)也采用梯形波或注入零序諧波的正弦波或方波等）為調(diào)制波（ModulatingWave），而以N倍于調(diào)制波頻率的三角波為載波（CarrierWave），進(jìn)行波形比較，而調(diào)制波大于載波的部分產(chǎn)生一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波的矩形脈沖序列用來(lái)等效調(diào)制波，并用開(kāi)關(guān)量取代模擬量，并通過(guò)對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)的通/斷控制，把直流電變成交流電，這種技術(shù)就叫做脈寬控制逆變技術(shù)。由于載波三角波的上下寬度都是線性變化的，故這種調(diào)制方式也是線性的。當(dāng)調(diào)制波為正弦波時(shí)，輸出矩形脈沖序列的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，這種調(diào)制技術(shù)通常叫做正弦脈寬調(diào)制(Sinusoida，SPWM)技術(shù)[5]。2.3正弦脈寬調(diào)制技術(shù)正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)，就是產(chǎn)生與正弦波等效的一系列等幅不等寬矩形脈沖波形。等效原理是，每個(gè)矩形脈沖面積與對(duì)應(yīng)位置正弦波面積相等。如圖2—2所示，設(shè)矩形脈沖高度為，寬度為，中點(diǎn)角度為，為調(diào)制正弦波的振幅，以為載波比，則等效面積原理可以表示為：(2-1)當(dāng)較大時(shí)，，并令則可得：(2-2)圖2-2等效回路算法原理圖由圖2-2式可以明顯看出，在載頻固定，且給定輸出角頻率(n=常量)情況下，等效脈沖寬度和調(diào)制度M成正比，和脈沖所在位置的正弦值成正比。也就是說(shuō)，只要按正弦規(guī)律變化，SPWM就可以輸出正弦電壓；越寬，輸出的電壓值越高，根據(jù)這一規(guī)律，出現(xiàn)了多種形成SPWM的具體技術(shù)[6]。(1)等效面積算法等效面積算法具有計(jì)算量小、精度高、輸出電壓波形接近正弦波、諧波損耗小等優(yōu)點(diǎn)。其方法是把半個(gè)周期的正弦波分成N等份，然后把每一份正弦曲線段與橫軸所包圍的面積都用與之相等面積的等高矩形脈沖來(lái)代替，即相對(duì)應(yīng)的同一時(shí)間段內(nèi)矩形脈沖波面積的代數(shù)和與正弦波和橫軸所包圍的面積相等。同樣正弦波的負(fù)半周也可用該方法來(lái)等效。N的多少就意味著SPWM信號(hào)的調(diào)制頻率高低，調(diào)制頻率越高正弦波的波形越好，但頻率的選擇又受元件頻率特性的限制。在載頻固定，且輸出頻率已知的情況下，=，從而可以求得第i個(gè)脈沖的寬度。(2)自然采樣法自然采樣法源于模擬控制方法，計(jì)算正弦調(diào)制波與三角波的交點(diǎn)，從而求出相應(yīng)的脈沖寬度和脈沖間歇時(shí)間，生成SPWM波形，其原理如圖2-3所示。圖中Tc表示載波周期，表示脈沖寬度。這種方法所求得等效面積精確，但要求解復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程，計(jì)算量大，難以用單片機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算，工程實(shí)現(xiàn)難度較大。圖2-3自然采樣法(3)規(guī)則采樣算法規(guī)則采樣算法是對(duì)自然采樣法的近似，根據(jù)近似的方法不同有不同的計(jì)算方法。圖2—4示出了一種常用的規(guī)則采樣算法。其原理是，在三角載波的負(fù)峰值時(shí)刻求得之值E，并以此值在三角載波上截得A，B兩點(diǎn)，從而確定了脈寬值。這種方法實(shí)際上是用階梯波代替正弦波，只要n足夠大，精度是可以保證的，但計(jì)算量要比自然采樣小得多。圖2-4規(guī)則采樣法(4)單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波XC164驅(qū)動(dòng)單元IPM功率模塊P直流輸入NXC164驅(qū)動(dòng)單元IPM功率模塊P直流輸入NUVW故障輸入圖2-5XC164構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路3．主電路設(shè)計(jì)3.1特種逆變電源的原理本逆變電源的設(shè)計(jì)，由輸入電路、逆變主電路、輸出電路、采樣電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電路和保護(hù)電路組成，基本的結(jié)構(gòu)框架和關(guān)系如圖3-1所示。輸入電路輸入電路逆變電路輸出電路驅(qū)動(dòng)電路輔助電路控制電路采樣電路圖3-1逆變系統(tǒng)原理框圖(1)輸入電路逆變電路的主回路輸入可以是直流電或交流電。本系統(tǒng)采用直流電，因?yàn)橹绷麟姴▌?dòng)比較大，所以要增加電容濾波電路來(lái)穩(wěn)壓。(2)輸出電路輸出回路將逆變器變換的交流電作進(jìn)一步處理，以得到諧波含量較少的交流輸出。該部分電路一般有低通濾波電路組成，當(dāng)輸出側(cè)接有變壓器時(shí)，也可以利用變壓器的電感進(jìn)行濾波。(3)控制電路控制電路的功能是按要求調(diào)節(jié)并產(chǎn)生一系列控制脈沖來(lái)控制逆變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而配合逆變主電路完成逆變功能。逆變控制電路的形式多種多樣，從大的方面講，有模擬電路和數(shù)字電路（包括基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)）。圖3-2給出了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖3-3給出了逆變器的數(shù)字控制電路基本框圖；數(shù)字信號(hào)輸入和模擬信號(hào)輸入指各種反饋量，以及保護(hù)、檢測(cè)量等信號(hào)，單片機(jī)檢測(cè)到各種信號(hào)后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序或控制策略進(jìn)行計(jì)算，然后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化輸出控制信號(hào)，經(jīng)放大后控制高頻電力電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)DC-AC變換，交流輸出經(jīng)變壓器變換后即可得到所需交流電。逆變電路逆變變壓器輸出整流濾波電路調(diào)節(jié)器逆變電路逆變變壓器輸出整流濾波電路調(diào)節(jié)器脈沖形成電路輸出反饋電路ACACDC圖3-2逆變器的數(shù)字控制電路基本框圖模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)單片機(jī)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)單片機(jī)D/A波形生成電路比較器隔離驅(qū)動(dòng)電路高頻開(kāi)關(guān)變換電路變壓器A/D(4)逆變電路這部分電路是逆變電源的主體部分，主要由各種開(kāi)關(guān)器件組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)主要的DC—AC變換。(5)輔助和保護(hù)電路輔助電路包括控制系統(tǒng)所需的各種電源等電路。保護(hù)電路的主要保護(hù)功能包括：過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)，完善的保護(hù)能確保逆變系統(tǒng)穩(wěn)定、安全和可靠工作地保障。

3.2主電路原理圖及工作原理本系統(tǒng)的主電路為DC-AC逆變電路，輸入直流電壓供給逆變器，主電路開(kāi)關(guān)器件采用六個(gè)IGBT模塊和吸收電路來(lái)構(gòu)成三相逆變器主電路。圖3-4系統(tǒng)主電路圖圖3-4是逆變主電路，直流輸入經(jīng)開(kāi)關(guān)器件組成的橋式逆變輸出三相交流電a、b、c，經(jīng)變壓器隔離變換后得到所需的三相交流A、B、C。該逆變電路較適用于三相對(duì)稱負(fù)荷場(chǎng)所；但三相不對(duì)稱而出現(xiàn)中心點(diǎn)漂移后，可以通過(guò)增加一個(gè)橋臂來(lái)進(jìn)行調(diào)整，從而組成了三相四橋臂逆變電路；也可以采用三個(gè)獨(dú)立的單相逆變器經(jīng)過(guò)一定的連接方式組成三相逆變系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以三相對(duì)稱運(yùn)行，也可以單相獨(dú)立運(yùn)行。主回路通電后，逆變電源開(kāi)始工作，同時(shí)輔助電源也通電。輸入直流電壓首先經(jīng)LC電路濾波，使輸入電壓平滑地加在開(kāi)關(guān)管的源極和漏極。而此時(shí)IGBT的門(mén)極將有脈沖出現(xiàn)，使IGBT開(kāi)通，在門(mén)極脈沖連續(xù)變化時(shí)，六只IGBT將按一定的規(guī)律導(dǎo)通。而每一個(gè)門(mén)極的控制脈沖的占空比都是隨著正弦波變化的，并且6個(gè)IGBT的導(dǎo)通順序是l-2-3-4-5-6，所以，輸出三相對(duì)稱的交流電，系統(tǒng)要求此交流電的幅值是380V，頻率是50Hz。輸出信號(hào)的電壓和頻率都是由IGBT的門(mén)極控制脈沖決定的，因此，利用調(diào)節(jié)SA8282的輸出SPWM圖3-5三相橋式逆變主電路的預(yù)期工作波形在逆變主電路中，功率半導(dǎo)體器件是電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，IGBT是功率器件中目前發(fā)展最快且很有發(fā)展前途的一種混合器件，由于其具有開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小、電流容量大、電壓等級(jí)高且價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，特別在開(kāi)關(guān)電源、逆變焊機(jī)、UPS、變頻調(diào)遣器等領(lǐng)域中更是大量應(yīng)用。而在撟式電路中，IGBT的吸收電路對(duì)其能否正?？煽渴褂闷鹬陵P(guān)重要的作用。吸收電路的參數(shù)設(shè)計(jì)合理，可以大大延長(zhǎng)腳的使用壽命，提高設(shè)備的可靠性。否則，將會(huì)使IGBT常失效，甚至無(wú)法工作[7]。3.3.1IGBT的基本特點(diǎn)絕緣柵雙極型晶體管IGBT，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。ECGID+RNECGID+RNVJ1++。--IDRon-。C。GE圖3-6N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N－溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N－層的空穴（少子），對(duì)N－層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N－層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。3.3.2主電路吸收電路的研究圖3—7主電路吸收電路吸收電路又稱為緩沖電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過(guò)電壓，或者過(guò)電流和，減少器件的開(kāi)關(guān)損耗。緩沖電路可以分為關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路。在無(wú)緩沖電路的情況下，IGBT開(kāi)通時(shí)電流迅速上升，很大，關(guān)斷時(shí)很大，并出現(xiàn)很大的過(guò)電壓。在有緩沖電路的情況下，IGBT開(kāi)通時(shí)緩沖電容C先通過(guò)R向IGBT放電，使電流先上一個(gè)臺(tái)階，以后因?yàn)橛幸种齐娐返腞，的上升速度減慢。在IGBT關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)VD向C分流，減輕了IGBT的負(fù)擔(dān)，抑制了和過(guò)電壓。本系統(tǒng)的主電路吸收電路如圖3—7所示。系統(tǒng)中電容值為33，電阻值為。IGBT在應(yīng)用時(shí)，其電壓上升不能太慢，但也不宜太快，電壓上升速率太高，需要較重的吸收電路才能使IGBT正常工作，但同時(shí)也增大了開(kāi)關(guān)應(yīng)力，使器件壽命縮短。所以選擇適宜的電壓上升速率、較輕的吸收電路參數(shù)，能使器件長(zhǎng)期可靠工作，圖3-8是逆變主電路有無(wú)吸收電路的波形比較。圖3-8有吸收和無(wú)吸收電路的比較

4．控制電路設(shè)計(jì)4.1控制電路硬件設(shè)計(jì)該逆變器的控制電路主要由AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)和SA8282三相PWM發(fā)生器構(gòu)成。單片機(jī)用于完成對(duì)SA8282的初始化和輸出脈寬控制、頻率控制,同時(shí)完成閉環(huán)控制算法的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)以及保護(hù)功能的邏輯判斷等。由于SA8282和單片機(jī)共用一個(gè)石英晶體振蕩器，故同步性能穩(wěn)定,漂移小。SA8282SA8282隔離驅(qū)動(dòng)EXB840AD0—AD7ALEP1.0P1.1P0.0—P0.7ALEAT89C51圖4-1控制電路原理圖采樣信號(hào)送入A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0～5V，故系統(tǒng)中選用霍爾電流傳感器CS600B系列，經(jīng)過(guò)變換得到相應(yīng)的直流電壓。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)單片機(jī)處理后，可完成對(duì)SA8282的初始化、輸出脈沖控制、頻率控制，同時(shí)完成閉環(huán)控制算法的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理等功能。AT89C51單片機(jī)在系統(tǒng)中用P0口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。P0口主要用于與ADC0809之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和給SA8282傳輸初始化數(shù)據(jù)并根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果調(diào)整SA8282的輸出。根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，先進(jìn)行SA8282初始化寄存器編程，確定載波頻率、工作頻率范圍等參數(shù)，再進(jìn)行控制寄存器編程，確定調(diào)制工作頻率和調(diào)制比。這樣，就可以控制輸出PWM信號(hào)，并通過(guò)EXB840驅(qū)動(dòng)模塊直接驅(qū)動(dòng)IGBT管。如圖4-1所示,SA8282的地址數(shù)據(jù)總線與AT89C51的P0口直接相連,3條控制線、WR、RD、ALE分別與AT89C51相應(yīng)引腳相連,片選信號(hào)CS與P1.1相接。微處理器的P1.0控制SA8281的復(fù)位引腳RST。設(shè)計(jì)時(shí)將故障信號(hào)后直接送SA8282的SETTRIP引腳,以實(shí)現(xiàn)有故障時(shí)的快速閉鎖,并利用TRIP產(chǎn)生中斷,在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行故障的處理及恢復(fù)等工作?！妷航o定＋單片機(jī)PI算法SA8282SPWM驅(qū)動(dòng)器逆變器A/D圖4-2單片機(jī)通過(guò)SA8282實(shí)現(xiàn)逆變電源閉環(huán)控制本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C51是一種帶4字節(jié)閃爍可編程可擦除的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，有40個(gè)引腳，共分為電源線，接口線和控制線三類，其中接口線分為P0、P1、P2、P3,系統(tǒng)中僅用P0口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其管腳功能如下：P0.0～P0.7：P0--8位雙向口線；P1.0～P1.7：P1--8位雙向口線；P2.0～P2.7：P2--8位雙向口線；P3.0～P3.7：P3--8位雙向口線。ALE：地址鎖存控制信號(hào)。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀外部ROM時(shí)，有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。：訪問(wèn)程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。RST：復(fù)位信號(hào)。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。VSS：地線。VCC：+5V電源。表4-1P3口各引腳與第二功能表引腳第二功能信號(hào)名稱P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2外部中斷0申請(qǐng)P3.3外部中斷1申請(qǐng)P3.4T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部輸入P3.5T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部輸入P3.6外部RAM寫(xiě)選通P3.7外部RAM讀選通圖4-3單片機(jī)AT89C51引腳圖單片機(jī)是脈沖發(fā)生電路的控制中心，主要用于完成對(duì)SA8282的初始化和輸出脈寬控制、頻率控制,同時(shí)完成閉環(huán)控制算法的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)以及保護(hù)功能的邏輯判斷等[8]。4.1.1采樣及A/D轉(zhuǎn)化電路(1)采樣電路①采樣電路的作用采樣輸出電路中電壓和電流的值，完成閉環(huán)控制，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。②使用元件及工作原理本系統(tǒng)采用霍爾傳感器，在電力電子技術(shù)中，霍爾傳感器是比較理想的的快速檢測(cè)元件，霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)，它在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。a．霍爾效應(yīng)如圖4-4所示，在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓，它們之間的關(guān)系為；式中d為薄片的厚度，k稱為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。上述效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)，它是德國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。圖4-4霍爾效應(yīng)示意圖b．霍爾電流傳感器由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng)，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。圖4-5霍爾電流傳感器示意圖本系統(tǒng)采用霍爾系列電流傳感器CS600B系列，具體應(yīng)用參數(shù)見(jiàn)下：表4-2電參數(shù)型號(hào)CS050B單位IPN原邊額定輸入電流50AIP原邊電流測(cè)量范圍0~±100AVSN副邊額定輸出電壓4±1%VVC電源電壓±12～±15（±5%）VIC電流消耗VC=±15V<20mAVd絕緣電壓在原邊與副邊電路之間2.5KV有效值/50Hz/1分鐘表4-3動(dòng)態(tài)參數(shù)εL線性度<1%FSV0零點(diǎn)失調(diào)電壓TA=25℃<±m(xù)VVOM磁失調(diào)電壓IPN→0<±20mVVOT失調(diào)電壓溫漂IP=0TA=25～+85℃<±M/℃Tr響應(yīng)時(shí)間≤3μsf頻帶寬度（-3dB）DC～20kHz表4-4一般參數(shù)TA工作環(huán)境溫度–25～+85℃TS貯存環(huán)境溫度–40～+100℃RL負(fù)載電阻TA=25℃≥Ω標(biāo)準(zhǔn)Q/3201CHGL02-2002優(yōu)點(diǎn)：1．原邊與副邊之間高度絕緣；2．最具競(jìng)爭(zhēng)力的性能/價(jià)格；3．穿孔結(jié)構(gòu)，無(wú)插入損耗；4．安裝簡(jiǎn)便，母排安裝；5．體積小，重量輕。(2)A/D轉(zhuǎn)化電路由于采樣得到信號(hào)是模擬信號(hào)，必須進(jìn)過(guò)A/D轉(zhuǎn)化后才能送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。本系統(tǒng)采用A/D轉(zhuǎn)化器ADC0809，ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型D／A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近。圖4-6ADC0809引腳圖ADC0809將采樣得到的電壓和電流值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化后，送入單片機(jī)進(jìn)行處理，以確保輸出電壓的精確性。ADC0809芯片為28引腳雙列直插式封裝，其引腳排列見(jiàn)圖4—6。對(duì)ADC0809主要信號(hào)引腳的功能說(shuō)明如下：IN7～I(xiàn)N0——模擬量輸入通道。ALE——地址鎖存允許信號(hào)。對(duì)應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START——轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。A、B、C——地址線。通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。CLK——時(shí)鐘信號(hào)。ADC0809的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳。通常使用頻率為500KHz的時(shí)鐘信號(hào)。EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。EOC=0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號(hào)即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。D7～D0——數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高位。OE——輸出允許信號(hào)。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。REF——參考電源參考電壓。用來(lái)與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為(REF（+）=+5V,REF（-）=-5V)。P2.1與寫(xiě)信號(hào)WR相或非，構(gòu)成ADC0809的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)(START)和鎖存信號(hào)(ALE)，鎖存信號(hào)首先將地址ADD-C，ADD-B，ADD-A鎖存，選中8路模擬輸入通道中的某一路，然后啟動(dòng)信號(hào)將A/D轉(zhuǎn)換器的逐次逼近寄存器復(fù)位并開(kāi)始轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)ADC0809的EOC腳為低電平。大概10Ous以后，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC信號(hào)變?yōu)楦唠娖?。EOC信號(hào)經(jīng)過(guò)反向器后送入AT89C51的INTO腳，當(dāng)檢測(cè)至INTO腳的高電平以后，AT89C51發(fā)出讀信號(hào)RD，與P2.1相或非，使輸出允許信號(hào)有效，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)就通過(guò)數(shù)據(jù)總線送入AT89C51。ADC0809的時(shí)鐘輸入頻率為500KHz，由AT89C51的ALE信號(hào)經(jīng)74LS73二分頻后得到。ALE信號(hào)頻率:ADC時(shí)鐘頻率:電路中P0口的P0.0，P0.1，P0.2三根引腳既作為數(shù)據(jù)總線的低三位，又譯碼作為8路模擬通道的選通地址，需要分時(shí)復(fù)用。電路中一般要加地址鎖存器74LS373鎖存低位地址，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)通道的正確選擇和數(shù)據(jù)的正確轉(zhuǎn)換。圖4-7AT89C51與ADC809接口電路圖4.1.2SPWM波形生成電路SPWM波形主要由SA8282芯片生成，它采用28腳DIP封裝。圖4-8所示是其引腳排列圖,其各引腳的功能說(shuō)明如下：AD0～AD7:八位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線,用于從微處理器接受地址與數(shù)據(jù)信息。WR(R/W)、RD(DS)、ALE(AS)：此三個(gè)引腳為Intel(MOTOROLA)控制模式；SA8282在工作時(shí)可自動(dòng)適應(yīng)Intel或MOTOROLA控制模式，當(dāng)ALE(AS)管腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，SA8282內(nèi)部檢測(cè)電路將自動(dòng)鎖存RD(DS)線上的狀態(tài)，如果檢測(cè)結(jié)果為低電平，則采用MOTOROLA控制模式；如果檢測(cè)結(jié)果為高電平，則采用Intel控制模式。RST：復(fù)位端，低電平有效。CS：片選輸入，該控制線可使SA8282與其它外圍接口芯片共享同一組總線。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB：標(biāo)準(zhǔn)TTL電平輸出端口(即PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào))，可分別驅(qū)動(dòng)三相逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。TRIP：輸出封鎖狀態(tài)指示，用于表明輸出是否被鎖存，低電平有效。SETTRIP：關(guān)斷觸發(fā)信號(hào)輸入端，當(dāng)輸入為高時(shí)，TRIP及六個(gè)PWM輸出端將被迅速鎖存在低電平狀態(tài)，且只有在RST復(fù)位時(shí)才能解除。WSS：波形采樣同步端口；ZPPB、ZPPY、ZPPR：分別是三相信號(hào)的零相位脈沖輸出端。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。VDD：+5V偏置電源。圖4-8SA8282引腳圖(1)SA8282的特點(diǎn)①全數(shù)字化SA8282與微處理器相連時(shí)，可自動(dòng)適應(yīng)Intel和MOTOROLA兩種總線接口，而且編程簡(jiǎn)捷方便。其全數(shù)字化的脈沖輸出具有很高的精度和穩(wěn)定性。②工作方式靈活SA8282具有六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平輸出端，可以驅(qū)動(dòng)逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。電路的載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制比、最小脈寬、死區(qū)時(shí)間等工作參數(shù)均可直接通過(guò)軟件設(shè)定，而不需要任何外接電路，從而降低了硬件成本。③工作頻率范圍寬、精度高SA8282的三角載波頻率可調(diào)，當(dāng)時(shí)鐘頻率為12.5MHz時(shí)，載波頻率最高可達(dá)24kHz，輸出調(diào)制頻率最高可達(dá)4kHz，輸出頻率的分辨率為12位。(2)SA8282工作原理SA8282的工作原理如圖4-9所示，它主要包括初始化命令和控制命令寄存部分、從ROM中讀取及產(chǎn)生PWM調(diào)制波形部分以及三相輸出控制電路等三個(gè)功能部分。圖4-9SA8282內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)框圖①命令寄存部分該部分由總線控制、地址/數(shù)據(jù)總線、暫存器R0～R2、虛擬寄存器R3～R4及24位初始化寄存器和24位控制寄存器構(gòu)成。該部分在工作時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行初始化(從微處理器向初始化寄存器和控制寄存器輸入控制字，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置)，然后由微處理器向兩個(gè)24位寄存器輸入命令字，這兩個(gè)寄存器分別被稱為初始化寄存器和控制寄存器。由于總線的數(shù)據(jù)寬度被限制在8位字長(zhǎng)，因此要想把數(shù)據(jù)送到一個(gè)24位寄存器，應(yīng)先分三次分別送到三個(gè)暫存寄存器R0、R1、R2中。而數(shù)據(jù)由暫存寄存器R0、R1、R2送到初始化寄存器或控制寄存器是通過(guò)虛擬寄存器R3、R4的送數(shù)寫(xiě)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，R3、R4實(shí)際上不存在，它們只在指令中出現(xiàn)。往R3送數(shù)的寫(xiě)指令用于將數(shù)據(jù)從R0、R1、R2傳送到控制寄存器，而往R4送數(shù)的寫(xiě)指令則可將數(shù)據(jù)從R0、R1、R2傳送到初始化寄存器。②讀取及產(chǎn)生PWM調(diào)制波形部分該部分由地址發(fā)生器、波形ROM及相位和控制邏輯構(gòu)成。由于調(diào)制波形關(guān)于90°、180°、270°對(duì)稱，所以波形ROM中僅保存了0～90°的波形瞬時(shí)值。工作時(shí)，SA8282可根據(jù)地址發(fā)生器的信號(hào)直接從波形ROM中讀取波形數(shù)據(jù)，然后通過(guò)相位控制邏輯將其組成0～360°的完整波形和三相波形，而不需要處理器進(jìn)行處理。③三相輸出控制電路SA8282中的每相輸出控制電路均由脈沖取消和脈沖延時(shí)電路構(gòu)成。脈沖取消電路用于去掉脈沖寬度小于取消時(shí)間的脈沖，以保證最小輸出脈沖寬度大于器件的開(kāi)關(guān)周期。延時(shí)電路可保證死區(qū)間隔，其作用是在改變?nèi)我幌嘀袃蓚€(gè)開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)時(shí)提供一個(gè)較短的延遲時(shí)間，以使這段時(shí)間里的兩個(gè)開(kāi)關(guān)都處于關(guān)狀態(tài)，從而防止在轉(zhuǎn)換瞬間橋臂開(kāi)關(guān)元件出現(xiàn)共通(兩個(gè)開(kāi)關(guān)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間造成直通短路)現(xiàn)象[9]。4.2控制電路軟件設(shè)計(jì)軟件程序設(shè)計(jì)是整個(gè)逆變器控制的核心，它決定著逆變器的輸出特性,如電壓、頻率范圍、穩(wěn)定度、諧波含量、保護(hù)功能和可靠性等。圖4-10為本系統(tǒng)的主程序流程框圖。是是是否否主程序開(kāi)始單片機(jī)初始化SA8282初始化參數(shù)SA8282控制參數(shù)采樣U380？過(guò)壓、過(guò)流？結(jié)束中斷保護(hù)PI調(diào)節(jié)圖4-10主程序流程圖在軟件的主程序中，SA8282初始化命令和控制命令的參數(shù)計(jì)算及設(shè)置主要用來(lái)確定頻率調(diào)節(jié)范圍、死區(qū)時(shí)間、輸出電壓幅值和中心頻率等。主程序的主要作用是初始化單片機(jī)的工作方式，并讀入逆變電源輸出頻率給定編碼，當(dāng)給定頻率發(fā)生變化時(shí)，其編碼值會(huì)隨之變化，此時(shí)置頻率變化標(biāo)志。(1)初始化暫存器編程初始化暫存器中的數(shù)據(jù)先被分別裝入三個(gè)8位暫存器R0～R2中，當(dāng)所有初始數(shù)據(jù)裝入這三個(gè)8位暫存器之后，只要給虛擬寄存器R4送入指令，則數(shù)據(jù)便從R0～R2中送到24位初始化寄存器。暫存器R1數(shù)據(jù)格式如圖4-11所示：FRS2FRS1FRS0××CFS2CFS1CFS0圖4-11暫存器R1數(shù)據(jù)格式其中，F(xiàn)RS2～FRS0為頻率范圍，F(xiàn)RS0為最低位，F(xiàn)RS2為最高位；而CFS2～CFS0為選擇載波頻率，CFS0為最低位，CFS2為最高位，×為任意值。①載波頻率的選擇載波頻率是外部應(yīng)用的時(shí)鐘頻率和分頻系數(shù)n函數(shù)，R1中寫(xiě)入數(shù)據(jù)的最低三位CFS2～CFS0在初始化程序中設(shè)定數(shù)值的選擇見(jiàn)表4-5。表4-5n=CFS對(duì)照表CFS101100011010001000n32168421分辨系數(shù)n由下式計(jì)算：=/512n;（4-1）式中=時(shí)鐘頻率，=載波頻率；②電源頻率范圍選擇電源頻率范圍的選擇定義了最高工作頻率，該工作頻率由控制寄存器中的12位工作頻率選擇字來(lái)設(shè)定，但不能超過(guò)R1的高3位FRS2～FRS0范圍。工作頻率范圍是由載波頻率和乘積因子m的函數(shù)，表4－6給出了n的取值與FRS2～FRS0的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表中m為與二進(jìn)制數(shù)FRS所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。表4-6mFRS110101100011010001000m6432168421可以由下式計(jì)算出最高的調(diào)制頻率：=(/384)m;（4-2）—調(diào)制頻率范圍；暫存器R2數(shù)據(jù)格式如圖4-12所示：××PDY5PDY4PDY3PDY2PDY1PDY0圖4-12暫存器R2數(shù)據(jù)格式其中，××兩位為無(wú)效位，可為任意值，而PDY5～PDY0是脈沖延時(shí)時(shí)間的選擇字，且PDY5為最高位，PDY0為最低位。③脈沖延時(shí)時(shí)間脈沖延時(shí)時(shí)間影響所有6路PWM脈沖輸出，且對(duì)每路輸出脈沖上升及下降沿延遲相等的時(shí)間。脈沖延時(shí)時(shí)間是載波頻率和pdy的函數(shù)，決定于6位脈沖延遲時(shí)間選擇字(PDY)，pdy的選擇可由表4-7得出：表4-7pdy—PDY對(duì)照表PDY111111111110……000000pdy12……64脈沖延時(shí)時(shí)間可由下式計(jì)算：=pdy/×512;（4-3）暫存器R0數(shù)據(jù)格式如圖4-13所示：CRPDT6PDT5PDT4PDT3PDT2PDT1PDT0圖4-13暫存器R0數(shù)據(jù)格式其中，CR位為計(jì)數(shù)器復(fù)位位，PDT6～PDT0是脈沖刪除時(shí)間的選擇字，且PDT6為最高位，PDT0為最低位。④脈沖刪除時(shí)間真正的PWM脈沖是通過(guò)脈沖刪除電路刪除過(guò)短的脈沖而得。脈沖刪除電路把實(shí)際的PWM脈沖寬度和初始寄存器中設(shè)置的脈沖寬度作比較，當(dāng)其寬度小于該脈沖時(shí)，刪除該脈沖。脈沖刪除時(shí)間是由載波頻率和pd的函數(shù)，決定于7位脈沖刪除時(shí)間選擇字(PDT)，pd的選擇可由表4-8得出：表4-8pdt—PDT對(duì)照表PDY111111111110……000000pdy12……128脈沖刪除時(shí)間可由下式計(jì)算：=pdt/×512;（4-4）(1)控制寄存器編程控制寄存器只有再初始化寄存器包含了SA8282基本的工作參數(shù)之后才可以進(jìn)行編程。像初始化寄存器一樣，控制寄存器的數(shù)據(jù)被裝入3個(gè)8位暫存器R0～R2。當(dāng)所有的數(shù)據(jù)裝入這3個(gè)寄存器之后，通過(guò)虛擬寄存器R3送入24位的控制寄存器。所有3個(gè)暫存器的修改必須在送入R3之前，以確保數(shù)據(jù)傳送到控制器執(zhí)行。暫存器R0數(shù)據(jù)格式如圖4-14所示：PFS7PFS6PFS5PFS4PFS3PFS2PFS1PFS0圖4-14暫存器R0數(shù)據(jù)格式其中，PFS7～PFS0是電源頻率選擇字，PFS0為最低位。暫存器R1數(shù)據(jù)格式如圖4-15所示：F/ROMINH×PFS11PFS10PFS9PFS8圖4-15暫存器R1數(shù)據(jù)格式其中，F(xiàn)/R為正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)：0=正轉(zhuǎn)，1=反轉(zhuǎn)，OM為過(guò)調(diào)制位：0=禁止，1=允許，INH為禁止輸出位：0=禁止輸出，1=允許輸出，PFS11～PFS8是電源頻率選擇字的8～11位，PFS11為最高位，×為任意值。①電源頻率選擇電源頻率從初始化寄存器中已定義的電源頻率選擇范圍中的12位電源頻率選擇字PFS中選擇，它將電源頻率等分為4096步，由于電源頻率選擇字PFS由2個(gè)暫存器R0和R1限制，因此當(dāng)改變電源頻率時(shí)，必須在寫(xiě)入R3之前修改這2個(gè)寄存器的參數(shù)。電源頻率由下式計(jì)算：=（/4096）×；（4-5）為十二位PFS字，為初始化寄存器中定義的電源頻率選擇范圍。②輸出禁止選擇當(dāng)寄存器R1中的INH位為0時(shí)，則SA8282輸出全為低電平，不會(huì)影響內(nèi)部器件的工作狀態(tài)，當(dāng)INH位由0變?yōu)?時(shí)，可瞬時(shí)獲得PWM脈沖，應(yīng)該注意的是SA8282的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了輸出禁止位于脈沖刪除和脈沖延時(shí)之后，因此開(kāi)始產(chǎn)生的脈沖要比正常最小脈沖的寬度要短。③過(guò)調(diào)制選擇OM是過(guò)調(diào)制選擇位，事實(shí)上，位與第九位（最高位）的振幅字控制著波形的100%～200%的輸出。振幅控制百分比由一下式給出：過(guò)調(diào)制振幅=+100%；（4-6）為電源振幅；④正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)選擇三相PWM脈沖輸出波形的相序由正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)選擇位（F/R）控制，事實(shí)上，當(dāng)F/R從正相序“0”變?yōu)榉聪嘈颉?”時(shí)，SA8282內(nèi)部電源頻率相位計(jì)數(shù)器便從增加相位角到減少相位角，所需輸出波形都在隨著時(shí)間的推移不斷向前/反向變化。暫存器R2數(shù)據(jù)格式如圖4-16所示：AMP7AMP6AMP5AMP4AMP3AMP2AMP1AMP0圖4-16暫存器R2數(shù)據(jù)格式其中，AMP7～AMP0為振幅選擇字，AMP7為最高位，AMP0為最低位。電源波形振幅決定于存儲(chǔ)在ROM中8位振幅選擇字AMP的樣例波形的振幅。振幅控制百分比由下式給出：電源振幅=(A/255)×100%;（4-7）A=APM的十進(jìn)制值。本系統(tǒng)使用主時(shí)鐘頻率12.288MHZ（12.288的晶振常見(jiàn)），這個(gè)時(shí)鐘頻率允許最高的載波頻率24KHZ和最大的電源頻率4KHZ。(1)初始化寄存器程序設(shè)計(jì)電源頻率范圍最大達(dá)250HZ，則需要載波頻率為6KHZ，脈沖刪除時(shí)間10ms和延遲時(shí)間5ms。設(shè)置載波頻率由式：（4-8）知寄存器R1中的3位CFS為010.②設(shè)置電源頻率范圍由式：（4-9）知寄存器R1中的3位FRS為100.③設(shè)置脈沖延時(shí)時(shí)間由式：（4-10）我們?nèi)dy=16，則脈沖延時(shí)時(shí)間為5.2us，知寄存器R2中的6位PDY字為110000.④設(shè)置脈沖刪除時(shí)間脈沖刪除時(shí)間的設(shè)置要考慮脈沖延時(shí)時(shí)間，實(shí)際輸出的PWM最小脈寬等于脈沖刪除時(shí)間減去脈沖延時(shí)時(shí)間。最小脈沖寬度需要=10us；因此，被設(shè)置為10us+5.2us=15.2us,由式；（4-11）我們選擇pdt=46，則寄存器R0的7位字為1010010，寄存器R1的控制字為100××010，寄存器R2的控制字為××110000。(1)控制寄存器程序設(shè)計(jì)①設(shè)置電源頻率電源頻率從0HZ到中選擇，由；（4-12）我們?nèi)fs為819，則暫存器R0和R1中12位PFS字為110011001100.②設(shè)置過(guò)調(diào)制，正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，輸出禁止過(guò)調(diào)制不需要，OM=0；正轉(zhuǎn)，F(xiàn)/R=0;輸出禁止允許，INH=1。③設(shè)置電源波形幅值由：（4-13）因此，知寄存器R0的控制字為01100110，寄存器R1的控制字為001×0110，寄存器R2的控制字為11001100。逆變電源控制軟件主要由采樣子程序（圖4-17）中斷服務(wù)程序和減速停車(chē)程序（圖4-18）三部分組成。中斷服務(wù)程序主要完成對(duì)過(guò)電壓、電流的保護(hù)，當(dāng)有故障中斷請(qǐng)求信號(hào)發(fā)生時(shí)，單片機(jī)響應(yīng)中斷并再次查詢是否有中斷發(fā)生，若確認(rèn)有故障，則封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并輸出故障代碼。減速停車(chē)程序是為了使逆變電源停止時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率和電壓逐漸減少的軟操作化，增加電源的使用壽命。采樣子程序是用來(lái)采樣輸出變壓器上電流和電壓的變化，進(jìn)一步通過(guò)單片機(jī)的處理，閉環(huán)調(diào)節(jié)使逆變電源的精度更高。是是開(kāi)始采樣值開(kāi)始地址送R0啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)化器采樣值放R0ADC完成？返回延時(shí)否圖4-17采樣子程序

否否是開(kāi)始保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)讀取故障信號(hào)封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出故障代碼恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回故障？U0？采樣SA8282控制參數(shù)開(kāi)始返回開(kāi)始PI調(diào)節(jié)（b）（a）否是圖4-18中斷服務(wù)子程序（a）和減速停車(chē)子程序（b）本系統(tǒng)的程序清單見(jiàn)附錄。4.2.1PI調(diào)節(jié)器比例一積分調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱PI調(diào)節(jié)器，其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系既有比例放大，也有積分的特性。其基本關(guān)系為：（4-14）式中K為比例增益，為積分時(shí)間。當(dāng)比例一積分調(diào)節(jié)電路輸入為單位階躍信號(hào)時(shí)，其輸出為：（4-15）可見(jiàn)，比例一積分調(diào)節(jié)電路的單位階躍響應(yīng)是條起始值為K的直線，其輸出電壓不會(huì)立即變得很大，而是隨著時(shí)間的推移而增加，這樣就能保證系統(tǒng)平穩(wěn)工作。當(dāng)時(shí)間t足夠長(zhǎng)時(shí)，調(diào)節(jié)電路將達(dá)到飽和狀態(tài)，輸出電壓為。如圖4-19所u10u0010Ku10u0010KPt0t10KPTie1010t01t10圖4-19PI調(diào)節(jié)器的基本特性示意11開(kāi)始調(diào)用乘法子程序計(jì)算調(diào)用乘法子程序計(jì)算調(diào)用加減法子程序計(jì)算調(diào)用加減法子程序計(jì)算調(diào)用加減法子程序計(jì)算調(diào)用加減法子程序計(jì)算調(diào)用乘法子程序計(jì)算調(diào)用乘法子程序計(jì)算保存結(jié)果調(diào)用加減法子程序計(jì)算保存結(jié)果調(diào)用加減法子程序計(jì)算返回返回11圖4-20PI調(diào)節(jié)算法流程圖

5．驅(qū)動(dòng)電路和輔助保護(hù)電路設(shè)計(jì)5.1驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路是根據(jù)控制系統(tǒng)的邏輯控制信號(hào)輸出具有足夠驅(qū)動(dòng)能力的開(kāi)關(guān)信號(hào)，使開(kāi)關(guān)器件IGBT得到可靠的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而穩(wěn)定工作。驅(qū)動(dòng)電路如圖5-1所示：圖5-1逆變系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)方法很多，為了減小體積，降低噪音改善驅(qū)動(dòng)性能，快速保護(hù)我們采用集成的IGBT驅(qū)動(dòng)器，本方案中采用的是日本富士公司推出的混合合式集成化IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊EXB840。它是EXB系列驅(qū)動(dòng)器中高速、大容量器件之一，集隔離、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一身，性能優(yōu)越，充分體現(xiàn)了“最優(yōu)驅(qū)動(dòng)和分散保護(hù)”兩原則。其封裝管腳圖如5-2所示。圖5-2EXB840封裝管腳圖EXB840的引腳功能見(jiàn)表5-1：表5-1EXB840的引腳功能端子編號(hào)功能1連接用于反向偏置電源的濾波電容2電源（+20V）3驅(qū)動(dòng)輸出4用于連接外部電容，以防止過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作5過(guò)流保護(hù)輸出6集電極電壓監(jiān)視7、8不接9電源（0V）10、11不接14驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（-）15驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（+）其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-3所示：圖5-3EXB840內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖EXB840的輸入脈沖的最高頻率為40KHZ，輸入電流為l0一l5mA，最大驅(qū)動(dòng)電流為4A，隔離電壓為250OVAC，工作溫度為-l0—+85度，供電電壓為+20一+25V。在下圖中二極管ERA34—10即可檢測(cè)IGBT的飽和壓降，送到EXB84l的6管腳，從而判斷是否過(guò)流，用來(lái)完成過(guò)流保護(hù)功能。4管腳的過(guò)流保護(hù)信號(hào)延時(shí)l0s輸出。SA8282輸出的PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊EXB840可直接驅(qū)動(dòng)IGBT,且隔離性能好,抗干擾能力強(qiáng),同時(shí)具有過(guò)流檢測(cè)及電路關(guān)斷等功能。一旦EXB840檢測(cè)到過(guò)流信號(hào),它將迅速向SA8282發(fā)出高電平保護(hù)信號(hào)，同時(shí)封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào),并高速切斷電路,低速關(guān)斷IGBT[10]。EXB840驅(qū)動(dòng)IGBT的工作原理：(1)IGBT正常開(kāi)通時(shí)：當(dāng)引腳14與15由10mA電流流過(guò)時(shí)，光耦合器導(dǎo)通，引腳3輸出電位相對(duì)于地為20V。引腳1連接IGBT發(fā)射極，由于穩(wěn)壓管作用對(duì)地電位為5V。故UGE=20-5=15V。(2)IGBT正常關(guān)斷時(shí)：輸入引腳14和15無(wú)電流流過(guò)，光耦合器不通，IGBT柵極通過(guò)引腳3迅速放電，電位迅速下降到0V（相對(duì)于引腳1為-5V）。故UGE＝-5V(3)過(guò)流保護(hù)電路：當(dāng)IGBT已經(jīng)開(kāi)通，發(fā)生短路時(shí)，其承受大電流而退飽和，UCE上升很快，二極管EPR34－10截至，EXB840引腳6“懸空”，過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作，引腳3電位逐漸下降，慢慢關(guān)斷IGBT。同時(shí)，引腳5電位也從20V降低，使光耦合器TPL521導(dǎo)通，輸出過(guò)電流信號(hào)，并阻斷了被驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入。5.2保護(hù)電路的設(shè)計(jì)5.2.1硬件保護(hù)硬件保護(hù)通過(guò)電流和電壓互感器對(duì)逆變器輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)，EXB841對(duì)IGBT的過(guò)流過(guò)壓情況監(jiān)控，一旦受控對(duì)象異常，關(guān)機(jī)信號(hào)直接通過(guò)SA8282的SETTRIP端關(guān)閉PWM輸出，并送往CPU處理。當(dāng)IGBT已經(jīng)開(kāi)通，發(fā)生短路時(shí)，其承受大電流而退飽和，UCE上升很快，二極管EPR34－10截至，EXB840引腳6“懸空”，過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作，引腳3電位逐漸下降，慢慢關(guān)斷IGBT。同時(shí)，引腳5電位也從20V降低，使光耦合器TPL521導(dǎo)通，輸出過(guò)電流信號(hào)，并阻斷了被驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入。5.2.2軟件保護(hù)軟件保護(hù)CPU可以應(yīng)硬件電路送來(lái)的保護(hù)要求執(zhí)行關(guān)機(jī)，也可以根據(jù)自身的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立判斷。由于IGBT過(guò)載能力低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)電路。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)壓或過(guò)流時(shí)，該電路將封鎖逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以保護(hù)IGBT，同時(shí)產(chǎn)生單片機(jī)的中斷信號(hào)，響應(yīng)中斷后將轉(zhuǎn)入故障處理和報(bào)警顯示。故障中斷服務(wù)程序?qū)a(chǎn)生SPWM信號(hào)的高速輸出口全部清零，從軟件上封鎖了IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這種軟件、硬件保護(hù)提高了系統(tǒng)保護(hù)的可靠性。5.3輔助電源部分該部分電路如圖5-4所示。電路由DC—DC電源模塊構(gòu)成線性電源。這部分電路的作用是給逆變電源的數(shù)字電路提供+20V和+5V的工作電壓。機(jī)車(chē)接觸網(wǎng)上直流550V經(jīng)DC－DC電源模塊LS03變?yōu)橹绷?4V，該+24V直流電壓經(jīng)廣東金升陽(yáng)科技有限公司生產(chǎn)的DC－DC電源模塊DS-1W系列芯片，得到穩(wěn)定的+5V和+20V直流電壓。LS03、DS-1W系列芯片是廣東金升陽(yáng)科技有限公司生產(chǎn)的專門(mén)針對(duì)線路板上分布式電源系統(tǒng)中需要產(chǎn)生一組與輸入電源隔離的雙輸出電源的應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的。該電源效率高,可靠性高,體積特別小,耐沖擊,隔離特性好,溫度范圍寬。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)引腳方式,阻燃封裝(UL94-V0),自然冷卻，無(wú)需外加散熱片,無(wú)需外加元件可直接使用,可直接焊在PCB板上。無(wú)過(guò)流/短路保護(hù),輸出電壓穩(wěn)定度不夠高，輸出紋波比穩(wěn)壓產(chǎn)品大，容性負(fù)載能力差。在電路中，20V直流電分別引入101、102、103、104，5V引入AT89C51、SA8282、ADC0809和EXB840的+5V電源接口中。圖5-4輔助電源部分電路

結(jié)論設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)與SA8282三相脈寬調(diào)制波發(fā)生器構(gòu)成的控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電路采用EXB840模塊，使輸出波形為正弦波，采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)，提高了穩(wěn)態(tài)輸出電壓的精度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)最后實(shí)現(xiàn)了DC550V轉(zhuǎn)換為AC380/50Hz的設(shè)計(jì)要求。SA8282為控制芯片的逆變電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，極大的方便了生產(chǎn)。本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)及三相PWM集成電路SA8282來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)因而其控制電路大為簡(jiǎn)化，器件減少,結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)也進(jìn)一步降低了成本，提高了可靠性。由于時(shí)間的倉(cāng)促，系統(tǒng)的軟件算法還需要進(jìn)一步的優(yōu)化，使系統(tǒng)的精度和