基于单片机的SPWM变频调速器设计

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.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 thesingle 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 (I)1 绪论 (1)1.1 国内外的发展现状 (1)1.1.1 国内的发展现状 (1)1.1.2 国外的发展现状 (1)1.2 研究背景 (2)1.3 本论文的组织和结构 (3)2 变频器的控制及其原理 (4)2.1 变频器简介 (4)2.1.1 变频器的分类 (4)2.1.2 变频器的应用领域 (4)2.2 变频器的原理 (4)2.2.1 交——交变频 (4)2.2.2 交——直——交变频 (5)2.2.3 变频器的电路图 (6)2.3 SPWM变频器IGBT输出的调制方式 (7)2.3.1 SPWM原理 (7)2.3.2 SPWM的调制方式 (8)2.4 U/f的控制方式 (11)3 硬件设计 (13)3.1 硬件系统原理框图及其总体方案 (13)3.1.1 系统结构框图 (13)3.1.2 专用芯片SLE4520结构及简介 (13)3.2 C8051单片机简介 (15)3.2.1 单片机的发展 (15)3.2.2 单片机的最小系统 (15)3.2.3 单片机的键盘及显示电路 (16)3.3 IGBT驱动及其电路 (20)3.3.1 IGBT简介 (20)3.3.2 IGBT驱动 (20)3.3.3 IGBT的保护电路 (22)3.4 控制电路设计 (23)4 软件设计 (25)4.1 SPWM波的生成 (25)4.1.1 计数器阵列PCA (25)4.1.2 SPWM波形的生成 (27)4.2 16位的SPWM软件编程 (28)4.3 频率的捕捉程序 (29)4.4 最小脉冲问题分析 (30)5 结论与展望 (31)5.1 变频器的结论 (31)5.2 设计的展望 (31)参考文献 (33)致谢 (36)1 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10~15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PowerFlex 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。