基于单片机的三相逆变电源的设计

在 软 件 的 主 程 序 中 ， ＳＡ８２８２ 初 始 化 命 令 和 控 制 命 令 的 参 数 计 算 及 设 置 主 要 用 来 确 定 频 率 调 节 范 围 、死 区 时 间 、输 出 电 压 幅 值 和 中 心 频 率 等 。软 启 动 决 定 着 系 统 开 机 时 输 出 电 压 由 低 逐渐 升 高的 缓 变 过程 。电 压 、频率 调 整 主要 是 将 采样 电 路 采 集 的 数 据 经 ＭＳＣ１２１１ 计 算 处 理 后 去 控 制 ＳＡ８２８２ 输 出 的 电 压 和 频率。过载保护程序的作用是在外接负载达到额定负载的 １２０％时，能 使 系 统在 延 时 一 段 时 间 后 关 闭 ＳＡ８２８２， 以 达 到 关 断 ＩＧＢＴ 输出 的 目 的。短 路 保 护 程 序 可 在 外 接 负 载 大 于 额 定 负 载 ２００％时 ，立 即 关 闭 系 统 。
图 １ 三相逆变电源的原理图
２ 三相逆变电源控制器的设计
三 相 逆 变 电 源 控 制 器 如 图 １ 所 示 。 由 单 片 机 ＭＳＣ１２１１、 ＳＰＷＭ 发生器 ＳＡ８２８２、驱动保护电路、显示电路等组成， 完成控 制和驱动输出两大功能。
２．１ 单片机 ＭＳＣ１２１１ 的功能介绍 ＭＳＣ１２１１ 是美 国 德州 仪 器 公司 最 新 推出 的 集 成数 字 、模 拟 混 合 信 号 的 高 性 能 芯 片 。芯 片 集 成 了 大 量 的 模 拟 和 数 字 外 围 模 块 ， 具 有 很 强 的 数 据 处 理 能 力 ， 对 要 求 体 积 小 、集 成 度 高 、运 算
技 Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＳＰＷＭ； ＭＳＣ１２１１； ＳＡ８２８２； Ｉｎｖｅｒ ｔｅｒ
术
逆变器是构成交流不间断电源（ ＵＰＳ） 及 交 流变 频 调 速系 统
的核心部分， 可独立构成系统成为变频电源装置， 高可靠和高
创 性 能 的 逆 变 电 源 已 广 泛 应 用 于 航 空 、航 天 、舰 船 、机 车 、雷 达 以
王瑞兰： 硕士 教授
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 ４０ＫＨｚ 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。
１）ＭＳＣ１２１１ 内 部 集 成 了 一 个 ２４ 位 分 辨 率 的 模 数 转 换 器 （ ＡＤＣ） ， ８ 通 道 多 路 开 关 ， 模 拟 输 入 通 道 测 试 电 流 源 ， 输 入 缓 冲 器， 可编程增益放大器， 温度传感器， 内部基准电压源； 四通道 １６ 位数模转换器（ ＤＡＣ） ； ８ 位微控制器； 程序／数据 Ｆｌａｓｈ 存储器 和数据 ＳＲＡＭ 等。
围控制功能和保护功能， 可实现系统的智能化设计。
本文 介 绍的 三 相 逆 变 电 源 ， 采 用 ＭＳＣ１２１１ 单 片 机 、ＳＡ８２８２
波形发生器及交直交主电路构成。由于 ＭＳＣ１２１１ 和 ＳＡ８２８２ 所
特有的功能， 仅需要少量的外围硬件， 使得本系统的电路结构
简 单 、控 制 方 便 、性 能 稳 定 可 靠 。
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《现场总线技术应用 ２００ 例》
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电源技术
速度快和精 确 测 量的 产 品 设计 而 言 ， ＭＳＣ１２１１ 是一 个 理 想的 选 择 。该 芯 片 可 广 泛 应 用 于 智 能 传 感 器 、智 能 变 送 器 、工 业 过 程 控 制系统、高精度测量装置、便携式仪器等领域。其主要功能如下：
２）ＭＳＣ１２１１ 的 片 内 外 围 模 块 功 能 齐 备 ， 包 括 １ 个 ３２ 位 累 加 器 ， １ 个 具 有 ＦＩＦＯ 功 能 的 标 准 ＳＰＩ 接 口 ， ２ 个 标 准 ＵＡＲＴ 接 口， １ 个 Ｉ２Ｃ 接口， ３２ 个多功能 Ｉ／Ｏ 端 口 ， ３ 个 通用 定 时／计数 器 ， 看门狗电路， 低电压检测电路， 片内自动上电复位 电 路， １６ 位 脉 宽调制输出电路（ ＰＷＭ ） 和欠压锁定复位电路等。
３）ＭＳＣ１２１１ 的 内 核 是 优 化 的 ８０５１ 内 核 ， 与 ８０５１ 芯 片 指 令 集兼容， 具有良好的兼容性和很强的数据处理能力。在相同频 率下， 它的执行速度可达到标准 ８０５１ 的三倍。
４）ＭＳＣ１２１１ 片 内 集 成 Ｆｌａｓｈ 存 储 器 和 １２８０Ｂ ＳＲＡＭ 存 储 器。用户可以根据应用需要对 Ｆｌａｓｈ 存 储器 和 ＳＲＡＭ 进 行个 性 化配置。Ｆｌａｓｈ 存储器有两种编程方式： 并行编程和串行编程。
富士公司生产的混合式集成化 ＩＧＢＴ 专 用 驱动 模 块 ＥＸＢ８４１， 能 驱 动 ４００Ａ／６００Ｖ、３００Ａ／１２００Ｖ 的 ＩＧＢＴ， 驱 动 电 路 信 号 延 迟 ， 适 用于 ４０ＫＨｚ 的开关电路， 具体的应用电路如图 ２ 所示。
３ 系统的软件设计
软件程序设计是整个逆变电源控制的核心， 它决定着逆变 电 源 的 输 出 特 性，如 电 压 、频 率 范 围 、稳 定 度 、谐 波 含 量 、保 护 功 能和可靠性等。图 ３ 为本系统的程序流程框图。
（ 潍坊学院） 王 瑞 兰
ＷＡＮＧ Ｒｕｉ－ｌａｎ
摘要： 本 文 介 绍 了 ＳＰＷＭ 的 基 本 原 理 以 及 ＭＳＣ１２１１ 和 ＳＰＷＭ 产 生 器 ＳＡ８２８２ 的 基 本 特 性 ， 详 细 介 绍 了 系 统 总 体 结 构 及 软 硬
件 设 计 。 实 验 表 明 该 系 统 结 构 简 单 、输 出 波 形 好 、性 能 稳 定 可 靠 ， 实 现 了 逆 变 电 源 输 出 电 压 闭 环 控 制 。
技
术
创
新
图 ２ 驱动保护电路 ２．３ 驱动保护电路 ＩＧＢＴ 的栅 极 驱 动 方 法 很 多 ， 本 设 计 方 案 中 采 用 的 是 日 本
图 ３ 程序流程图
４ 结论
实 验 结 果 表 明 ， 该 电 源 的 频 率 稳 定 度 为 ０．１％， 幅 度 稳 定 度 为 ０．５％。 由 于 本 电 路 采 用 单 片 机 ＭＳＣ１２１１ 及 三 相 ＰＷＭ 集 成 电路 ＳＡ８２８２ 来进行设计，因 而 其 控制 电 路 大为 简 化，器件 减 少 ， 结构紧凑， 同时也进一步降低了成本，提高了系统的可靠性。
及通信交换机等设备中， 而大部分逆变电源电路结构和控制软
新 件复杂， 采用 ＳＰＷＭ 集成电路和关断 开 关 设计 逆 变 电源 有 较 多
的 优 越 性。英 国 ＭＩＴＥＬ 公 司推 出 的 全 数 字 化 三 相 率宽 、精 度 高 ， 可 与 微 处 理 器 接 口 ， 能 完 成 外
电源技术 文章编号：１００８－ ０５７０（２００８）１０－ １－ ０２８２－ ０２
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（ 测 控 自 动 化 ）２００８ 年 第 ２４ 卷 第 １０－１ 期
基于单片机的三相逆变电源的设计
Ｔｈ ｅ Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ Ｔｈ ｒｅ ｅ － ｐ ｈ ａ ｓ ｅ Ｉｎ ｖｅ ｒｔｅ ｒ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｓ ｉｎ ｇ ｌｅ － ｃｈ ｉｐ Ｍｉｃｒｏ ｃｏ ｍ ｐ ｕ ｔｅ ｒ
５）ＭＳＣ１２１１ 的 模 拟 电 源 和 数 字 电 源 是 分 离 的 ， 采 用 相 互 独 立的 ２．７Ｖ～５．５Ｖ 电压供电。在 ３Ｖ 电压， １ＭＨｚ 时钟下运行， 其功 耗通常小于 ４ｍＷ。
２．２ ＳＰＷＭ 发生器 ＳＡ８２８２ 的功能介绍 ＳＡ８２８２ 是 英 国 ＭＩＴＥＬ 公 司 生 产 的 全 数 字 化 三 相 ＳＰＷＭ 发生器， 其主要功能如下： １） 全数 字 化： ＳＡ８２８２ 与 微 处 理 器 相 连 时 ， 可 自 动 适 应 Ｉｎｔｅｌ 和 ＭＯＲＯＴＯＬＡ 两种总线接口， 而且编程简捷方便。其全数字化 的脉冲输出具有很高的精度和稳定性。 ２）工作 方 式灵 活：ＳＡ８２８２ 具 有六 个 标 准的 ＴＩＬ 电 平 输出 端， 可 以驱 动 逆 变器 的 六 个功 率 开 关器 件 。电 路的 载 波 频率 、调 制 频率 、调 制 比、最 小 脉 宽、死 区 时 间等 工 作 参数 均 可 直接 通 过 软 件设定，而不需要任何外接电路，从而降低了硬件成本。 ３）工作频率范围宽、精度 高 ： ＳＡ８２８２ 的 三角 载 波 频率 可 调 ， 当 时 钟 频 率 为 １２．５ＭＨｚ 时 ， 载 波 频 率 最 高 可 达 ２４ｋＨｚ， 输 出 调 制频率最高可达 ４ｋＨｚ， 输出频率的分辨率为 １２ 位。
关键词： 正弦脉宽调制（ ＳＰＷＭ） ； ＭＳＣ１２１１； ＳＡ８２８２； 逆变电源
中图分类号： ＴＰ３０２．１
文献标识码： Ｂ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＳＰＷＭ， ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ＭＳＣ１２１１ ａｎｄ ＳＡ８２８２， ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ， ｏｕｔｐｕｔ ｗａｖｅ ｓｈａｐｅ ｉｓ ｇｏｏｄ， ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ， ｈａｓ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ － ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ．