基于单片机的特殊变频器的方案设计书

在现代工业和经济生活中，伴随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的发展，变频技术已广泛应用于各个领域。PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年 A.Schonung和H.Stemmler首先在《BBC》评论上提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广、应用开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。

本文首先对变频技术、PWM控制原理等内容进行介绍。在充分了解PWM变频原理的情况下，设计一个用单片机产生PWM脉冲信号，达到变频目的的系统。

整个系统的上位机部分采用Borland公司推出的可视化开发工具Delphi7.0来实现；下位机CPU选用美国A TMEL公司生产的A T89C2051单片机来实现。

目录

1. 绪论 (1)

1.1变频技术 (1)

1.2变频技术的发展 (1)

1.3设计的主要内容及意义 (2)

1.3.1主要内容 (2)

1.3.2意义 (3)

2. 变频器基本原理与系统硬件设计 (4)

2.1变频器基本结构及功能原理 (4)

2.1.1 变频器的基本结构 (4)

2.1.2变频器的功能原理 (4)

2.2系统硬件设计 (4)

2.2.1系统变频器主电路 (5)

2.2.2整流单元 (5)

2.2.3直流中间单元 (6)

2.2.4逆变单元 (6)

3 PWM方法与控制技术 (11)

3.1 PWM控制的基本原理 (11)

3.2 PWM变频的微型计算机实现 (16)

4 系统程序设计 (22)

4.1下位机结构及程序编制 (22)

4.1.1单片机AT89C2051 (22)

4.1.2单片机产生PWM触发脉冲的程序编制 (27)

4.2上位机程序编制及实现 (33)

4.3系统下位机与上位机通讯程序编制 (36)

4.3.1串行通讯接口电路 (36)

4.3.2 串行通信的WindowsAPI简述 (37)

4.3.3串行通信相关函数 (37)

4.3.4 API函数使用流程 (38)

4.3.5通信步骤 (39)

4.3.6上、下位机通信程序的编制 (39)

4.4上位机通信部分运行调试 (43)

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附录 (47)

参考文献 (55)

1

1绪论

变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而作为变频调速系统的核心—变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，变频器的控制方式今后将向数字控制变频器等方向发展。现在，变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算，变频器数字化将是一个重要的发展方向，目前进行变频器数字化主要采用单片机MCS51或80C196MC等，辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能。[1]

1.1变频技术[1]

变频技术，简单地说就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电再把交流电变成直流电。总之这一切都是电能不发生变化，而只有频率的变化。

变频技术的类型主要有以下几种：

（1）交—直变频技术（即整流技术），它是通过二极管整流，二极管蓄流或晶闸管、功率晶体管可控整流实现交—直（0Hz）功率转换。这种转化多属于工频整流。

（2）直—直变频技术（即斩波技术），它是通过改变电力电子器件的通断时间，即改变脉冲的频率（定宽变频），或改变脉冲的宽度（定频调宽），从而达到调节直流平均电压的目的。

（3）直—交变频技术，电子学中称振荡技术，电力电子学中称逆变技术。振荡器利用电子放大器件将直流电变成不同频率的交流电甚至电磁波。逆变器则利用功率开关将直流电变成不同频率的交流电。如果输出的交流电频率、相位、幅值与输入的交流电相同，称为有源变频技术；否者称为无源变频技术。

（4）交—交变频技术（即移相技术）。它通过控制电力电子器件的导通与关断时间，实现交流无触点开关、调压、调光、调速等目的。

变频技术随着微电子学、电力电子技术、电子计算机技术、自动控制理论等的不断发展而发展，现已进入了一个崭新的时代，其应用也越来越普及。从起初的整流、交直流可调电源等已发展至高压直流输电、不同频率电网系统的连接、静止无功功率补偿和谐波吸收、超导电抗器的电力储存等。在运输业、石油行业、家用电器、军事等领域得到了广泛的应用。如果超导磁悬浮列车、高速铁路、电动汽车、机器人；采油的调速、超声波驱油；变频空调、变频洗衣机、变频微波炉、变频电冰箱；军事通信、导航、雷达、宇宙设备的小型化电源等。

1.2变频技术的发展[1]

纵观变频技术的发展，其中主要是以电力电子器件的发展为基础的。第一代以晶闸管为代表的电力电子器件出现于20世纪50年代。1956年贝尔实验室发明了晶闸管，1958年通用电气公司推出商品化产品。它主要是电流控制型开关器件，以小电流控制大功率的变换，但其开关频率低，只能导通而不能自关断。

第二代电力电子器件以电力晶体管（GTR）和门极关断（GTO）晶闸管为代表，在20世纪60年代发展起来。它是一种电流型自关断的电力电子器件，可方便地实现变频、逆变和斩波，其开关频率只有1～5kHz。