基于单片机的特殊变频器的方案设计书
PIC单片机变频器设计
摘要变频调速技术已经成为节能和提高产品质量的有效措施。
变频调速的重要性日益得到国家的重视，在国内推广变频调速技术有着非常重大的现实意义和巨大的经济价值和社会价值。
中压变频调速技术是电力电子领域的一个制高点技术，中压大功率变频器是电力电子行业中尚未解决的一个难题。
本论文概述了中压变频器的国内外技术发展及趋势，对中压变频器各种类型的优缺点进行了分析。
阐述了单元串联多电平移相式PWM电压源型变频器原理，通过对原理的阐述,进一步透彻的掌握单元串联多电平高压变频器的内部特性。
研究了单元串联多电平中压变频器的PWM技术和SPWM技术。
基于各种PWM 控制技术的对比，本设计选定三角载波移SPWM技术作为控制方法。
文中介绍了IGBT的工作原理和各种保护方法。
给出了基于PIC单片机的五单元串联中压变频器的控制单元的软硬件设计。
关键词：变频器；单元串联中压变频器；PWM技术；移相载波SPWM技术；单片机AbstractVelocit y adjustmentt echnique of mid-voltage variable frequency is an advanced technique in power electronics realm.mid-voltage and large-power frequency converter is an unsolved difficult in power electronics industry. Its using area basicall y covers with all kinds of main ind ustry and it has a large market potential. But, compare d with latent market, our middle-voltage frequency converter (HVF) is in starting phase in which it is an extremel y good opportunit y to develop domestic frequency converter manufacturing industry. Velocit y adjustment technique of mid-voltage variable frequ ency has become effective measures to save energy and promote product quality. The expansion of velocit y adjustment technique has got very important and realistic meaning and tremendous economic and societ y value.The progress and the trend of HVF techni que，the market requirements domestic and abroad for HVF are reviewed. The advantage and disadvantage of different HVF t ypes, effects of HVF on electric net and electric motor areanal yzed in detail.The paper studied the PWM technology and SPWM technology fo r medium voltagec ascadedm ultilevelin verters. Based on the anal ys is of kinds of PWM technologies，the design choose the Triangle_Carrier phase-shifted SPWM for cascaded multilevel inverters as control technology.The paper introduced the operation pr inciple and many kinds of protection methods of IGBT.The software and hardware design of control unit of the Five_units Cascaded Medium Voltage Inverter is introduced.Key Words：frequency inverter；Cascaded Medium Voltage Inverter ；PWM Technology；phase-shifting carrier SPWM；Single-Chip Microcomputer目录摘要 (I)Abstract (II)第1章概述 (1)1.1 设计背景 (1)1.2 中压变频器的类型 (1)1.3 中压变频器国内外研究概况 (2)1.4 变频器主器件－电力电子器件的发展现状 (3)第2章单元串联多电平变频器工作原理及其特点 (5)2.1 概述 (5)2.2单元串联多电平变频器主电路结构 (5)2.3 单元串联多电平变频器工作原理 (6)第3章 IGBT介绍及其保护电路 (8)3.1 IGBT介绍 (8)3.2 IGBT 的工作原理 (8)3.2.1 基本工作原理 (8)3.2.2 IGBT 的主要参数 (9)3.2.3 IGBT 的安全工作区 (10)3.2.4 IGBT 对驱动电路的要求 (11)3.3 保护措施 (12)3.3.1 IGBT栅极的保护 (12)3.3.2 集电极与发射极间的过压保护 (13)3.3.3 集电极电流过流保护 (15)3.3.4 过热保护 (17)第4章PWM技术和SPWM调制方法综述 (17)4.1 PWM技术基本概念 (17)4.1.1 PWM控制的基本原理 (18)4.1.2 PWM技术基本概念 (19)4.2 SPWM调制方法对比分析 (24)4.2.1 采样法SPWM (24)4.2.2 谐波消去法SPWM (27)4.2.3 载波相移SPWM（CPS－SPWM） (29)4.2.4 小结 (31)第5章控制电路设计 (31)5.1 设计任务、要求和参数 (31)5.2 主电路设计概述 (31)5.2.1 变频器的构成 (31)5.2.2 变频器各部分概述及本设计主电路方案选择.. 325.3 PIC系列单片机简介 (34)5.3.1 PIC系列单片机的特点 (34)5.3.2 PIC系列单片机的优势 (35)5.3.3 本设计选用的PIC16F877介绍 (36)5.4 控制部分设计 (37)5.4.1 控制电路方案选择 (37)5.4.2 控制电路各部分设计 (38)5.4.3 IGBT驱动电路设计 (46)5.4.4 PIC16F877系统接线 (51)第6章软件设计 (52)6.1 程序设计思路 (52)6.2 程序流程图 (53)6.2.1 主程序流程图 (53)6.2.2 AD转换子程序流程图 (53)6.2.3 I/O口初始化子程序流程图 (53)6.2.4 AD模块初始化子程序流程图 (53)6.2.5 外部、电平中断服务子程序流程图 (53)6.2.6 定时器中断服务子程序流程图 (53)6.3 软件清单 (57)第7章实验结果和分析 (62)7.1 实验内容 (62)7.2 实验仪器 (62)7.3 实验波形 (62)7.4 实验结果分析 (63)第8章设计总结 (64)元器件明细表 (65)参考文献 (69)英文资料原文 (70)英文资料翻译 (77)致谢 (87)兰州理工大学毕业设计说明书第1章概述1.1 设计背景由于电力电子技术、微电子技术和现代控制理论以惊人的速度向前发展，随之带动了交流传动技术日新月异的进步。
基于DSP单片机的变频器快速响应控制逆变器设计
基于DSP单片机的变频器快速响应控制逆变器设计无标题随着现代工业的高速发展，变频器作为电力变换的重要设备在各个行业中的应用越来越广泛。
随着电力电子器件技术的不断进步，目前基于数字信号处理（DSP）开发的变频器也被广泛采用，其性能高效、功能全面，成为现代化工业必不可少的控制装置。
本文旨在通过对DSP单片机的设计，实现变频器快速响应控制逆变器的设计，从而提升工业生产过程的效率。
一、变频器的概述变频器是一种能够实现交流电机转速控制的设备，适用于变频调速系统中。
它主要包括整流器、滤波器、逆变器三大部分，其中整流器是将交流电源变换成稳流直流电源，滤波器是将直流电源中的纹波滤除掉使电压平稳，逆变器则是将直流电源控制为交流输出。
变频器的基本原理是：通过半导体器件（IGBT、MOSFET等）的开关控制，将直流电源控制成交流输出电源，从而实现电机的转速控制。
变频器的应用领域非常广泛，如电梯、空调、冷冻空调等，已成为现代工业传动控制的主要设备。
二、基于DSP单片机的变频器控制设计随着可编程控制器（PLC）和单片机微处理器的普及，DSP单片机不仅在通信、电力等领域中得到了广泛的应用，而且在变频器领域中也得到了越来越多的应用。
相对于传统的模拟电路和数字电路控制方式，基于DSP单片机的变频器控制可以实现快速响应、更准确的控制系统和更灵活的功能扩展。
本文基于DSP单片机的变频器控制设计主要采用了TI的TMS320F28335芯片作为控制核心，实现快速响应控制逆变器的功能。
1. 系统设计基于DSP单片机的变频器控制系统所需的硬件基本板块包括：TMS320F28335芯片、驱动板、直流电源电路、开发板以及组合电机系统等。
其中，驱动板主要负责控制系统的闭环反馈控制和功率输出控制；直流电源主要是将市电转换成所需的直流电；开发板主要提供控制接口，组合电机则是模拟实际的工业生产场景。
在系统设计中，将回路分为两部分：电压反馈回路和速度反馈回路，其中电压反馈回路主要负责基本的电机控制，通过内部放大电路和比较器对输出电压进行控制。
基于单片机实现SPWM制作空调变频器
基于单片机实现SPWM制作空调变频器摘要:介绍了用89C51单片机为控制芯片,结合二极管整流桥、IGBT逆变桥及EXB840驱动IC构成的采用SPWM技术的变频设备的设计方法,同时辅以温度传感器、A/D转换芯片构成空调的节能变频装置。
说明了硬件选用原则、异步电机变压变频调速原理,SPWM 原理在单片机上的实现方法,以及此装置的不足和改进设想。
关键词:SPWM 单片机面积等效法程序设计SPWM(正弦脉宽调制)在变频器设计中得到广泛应用,空调压缩机的异步电机如果适当变频则可以减少启动次数,达到室内温度精度高并且省电运行的目的,然而目前市场上无论变频空调还是变频器都价格较高,因此有必要探索使用成本低廉的单片机做控制器,实现空调变频运行的低成本装置,功能虽然不如市场上的变频空调那样全面,但只要能实现经济运行,达到实用目的即可。
在此采用单片机通过驱动电路控制单相逆变桥的方法实现变频,用单片机通过适当的运算可很容易产生单极性的正弦脉宽调制波。
1 硬件选择主电路如图1,四个整流二极管选择整流桥形式的整体封装,价格低廉。
逆变桥的IGBT选用GT8Q101的分立管,IGBT驱动选择EXB840专用驱动IC。
电容C选为5000 μF/450 V即可。
除此之外还有经A/D转换器与单片机相连的温度传感器。
GT8Q101的VCES=1200 V,ICP=16 A,可以满足耐压要求和启动峰值电流要求。
最高速度为0.5 μs,开关速度也可满足要求。
EXB840可驱动高达75 A/1200 V的IGBT,最高频率40 kHz,带有过流保护功能,按照使用手册的应用电路接线,其中控制端脚经RG接IGBT的栅极,RG如选的过大,则IGBT的导通损耗较大,选的过小则会在IGBT的集电极产生大的电压尖脉冲,且不利于负载短路保护,对于1200 V/8 A 的管子来说,一般选取RG=150 Ω,考虑到单片机上电时I/O口为高电平,为防止短路应使低电平有效,故应使负极性驱动信号接单片机。
单片机设计变频器
目录一．引言 (2)二．芯片特性简介 (2)2.1AT89S52单片机功能介绍 (2)2.2 芯片SPMC75F2413A特性 (4)三．系统总体方案介绍 (5)3.1 这个系统的功能： (6)3.2 系统工作流程： (6)四．系统硬件设计 (6)五．变频器系统软件设计 (7)5.1该系统核心驱动部分的结构如图 5-1。
(7)5.2 子程序的流程如图 5-2。
(8)5.3系统主流程图 (9)5.4变频器运行过程中参数调整模块设计 (9)5.5 变频器采样及故障检测模块设计 (10)5.6定时器中断模块设计 (11)五．总结 (13)六．参考文献 (13)一．引言变频器是从上世纪中叶发展起来的一种交流调速设备。
它是为了解决传统的交流电机调速困难、传统的交变速设备不但结构复杂且效率和可靠性均不尽人意的缺点而出现的。
由于其使交流电机的调速范围和调速性能均大为提升，因此交流电机逐渐代替直流电机出现在各种应用领域，即便是以往只可能是直流电机出现的伺服控制领域。
随着电力半导体长足发展，变频器也随之不断进步。
今变频器已深入我们的日常生活，随处可见其为我们服务的身影。
本文主要介绍设计一种较为通用的变频器，控制器采用AT89S52单片机，对变频的控制算法进行分析设计，利用恒压频比方式控制变频器工作，得出程序算法的流程图和硬件电路设计图，本文所设计的系统具备以下功能：括电机驱动、异常事件处理、运行参数的设置、信息状态管理、通信链路接口、人机交互接口等几部分。
二．芯片特性简介控制电路的设计是变频器设计的关键，传统的变频器采用模拟器件实现，因模拟器件受温度的影响而严重影响其性能，所以系统设计采用AT89S52单片机SPWM专用集成芯片配合来实现逆变控制器6个IGBT的通断。
2.1 AT89S52单片机功能介绍AT89S52单片机为40引脚芯片如图所示，具有PDIP，PLCC和TQFP3钟封装形式。
各引脚的功能如下：● P0口——8位、开漏极、双向I/O口。
基于单片机的PWM变频调速设计。
基于单片机的PWM变频调速系统设计（只要肯花20财富值下载此文档，我就给你proteus仿真电路图，.hex文件和完整程序下载后加好友并注明百度课程设计文档，我就发文件压缩包，在我的百度云盘里。
）摘要：本文研究了利用at89c51单片机控制PWM信号从而实现对直流伺服电机转速进行控制的方法。
文中对PWM信号的调速原理做了详细的论述。
此外，系统中采用了芯片L298作为直流伺服电机的驱动模块，完成了在主电路中对直流电机的控制。
另外，文中介绍了Proteus的使用，并对该调速系统做了仿真。
鉴于Proteus7.1版本不能直接使用C语言进行仿真，采用了Keil生成了Hex文件，并导入到Protues工程中进行仿真。
最后，文中详细给出了电路图和c语言程序关键词：PWM调速；单片机；直流伺服电机目录第一章概述 (4)1.1 PWM调速系统的组成和功能 (4)1.1.1 PWM信号发生与调节模块 (4)1.1.2 PWM信号放大与电机驱动模块 (5)1.1.3 负载模块 (5)1.2 单片机概述 (5)1.2.1 单片机及其发展历程 (5)1.2.2 单片机的应用领域及发展趋势 (5)1.3 计算机仿真概述 (6)第二章 PWM调速技术 (7)2.1 PWM的基本原理 (7)2.1.1 PWM信号简介 (7)2.1.2 PWM调速原理 (8)2.2 系统设计方案 (9)2.2.1 系统总体设计思想 (9)2.2.2 系统总体设计框图 (9)第三章 PWM调速系统设计 (10)3.1 系统硬件设计 (10)3.1.1 主电路设计 (10)3.1.2 AT89C51单片机简介 (10)3.1.3 功率放大驱动芯片介绍 (13)3.1.4 伺服电机介绍 (14)3.2 系统软件设计 (16)3.2.1 程序流程图 (16)3.2.2 C语言程序设计 (16)3.3 PWM调速系统仿真 (19)3.3.1 系统仿真电路图 (19)3.3.2 电压输出波形 (19)第四章总结 (21)参考文献 (22)致谢 (23)第一章概述本文主要研究了利用与MCS-51兼容的at89c51单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。
基于单片机的变频器设计.概要
照明系统 转把、刹把 控制器 信号系统
安全系统
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动力系统
论文结果分析
本研究课题经过理论分析，硬件电路设计、软件的编写和调试， 最终完成了电动自行车控制器的样品设计。该控制器以ST系列 单片机中性价比较高的STM8S903K3为控制核心，充分利用片 内多种资源，设计出的控制器具有体积小的特点和较低的成本 优势，具有一定的市场竞争力。 控制器样品设计完成后，我们对控制器进行了一系列关键点的 测试，结果都令人满意。在MOSFETቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ通时，绕组端电压在 24V左右。
Y Y
电机是否启动? Y 是否过压? N 是否过流? N 是否欠压? Y 停止 清零电机启动 标志位
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论文基本内容
一个完备的电动自行车控制系统，应主要报告电源系统、转把、 刹把、安全系统、照明系统、信号系统、动力系统等。电源系统 主要满足整个系统对能量的需求，转把、刹把是用户与控制器交 流的桥，安全系统实现了电动自行车的防盗功能，照明系统在可 见度较低时给整个电动自行车照明，信号系统一方面实现了用户 与控制器的交流，另一方面也给电动自行车的安全提供了保障， 动力系统为电动自行车的能量转换部分，它将电能转换为机械能， 为电动自行车提供了动力。系统电路图。
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不足之处
设计不是完整的电动自行车整体。刹车功能、上电自 检功能没有添加 软件测试还有不稳定方面 无传感模式的起动问题，不能保证系统的通用性，而 且起动有可能不成功系统的闭环控制方面，本应该采 用速度、电流串级控制，而最终舍弃了电流闭环，只 做了一个速度闭环控制，而且速度控制的精度并不算 高 系统保护功能方面，欠压保护的阀值设定的较低，电 机起动时还是会突然拉低母线电压，而且会持续一段 时间，至今没找到问题所在 部分元器件只是简单了解
基于单片机的SPWM变频器设计探究
基于单片机的ＳＰＷＭ变频器设计探究张丁雷摘㊀要：随着电子技术的发展，传统的电气传动将面临着重大的变革，直流调速已经逐步被交流调速所取代㊂交流电机相对于直流电机而言具有结构简单㊁故障率低㊁易维护等众多优点，因而在调速领域具有独特的优势㊂全自动型功率器件的出现以及控制理论的不断发展，交流调速系统在控制性能以及经济性方面都能够与直流电机相媲美，且更适合应用于高速㊁高压㊁恶劣的环境中㊂文章采用ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ单片机控制三相交流异步电机，通过ＳＰＷＭ技术对交流电机进行恒压频比控制，设计出一款通用变频调速系统㊂关键词：ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ单片机；变频调速；ＳＰＷＭ一㊁引言变频器是一种交流调速设备，主要功能是解决交流电调速困难以及交流设备效率低㊁可靠性差等问题，其能够在很大程度上提升电机的调速性能㊂但是，由于市场上变频器的价格不菲，且所集成的功能众多，无法在低功率的家电中使用㊂因此，笔者企图以较低的成本来设计一款实用的变频器，以便能够在家电上使用㊂二㊁总体设计方案变频是将固定频率的交流电转换为频率连续可调交流电的过程㊂文章设计的变频其总体由两部分构成：一是电力部分，其采用各种电力半导体器件，以此来实现电力形式变换的电路；二是驱动控制部分，电力部分依赖于控制部分展开工作，该部分决定了变频器的工作性能与操作性能等㊂三㊁系统硬件设计本设计采用ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ单片机为控制部件，所设计出的硬件结构主要包括主电路㊁控制电路㊁检测电路以及供电电源电路组成㊂本系统采用ＳＰＷＭ变频技术，为了将开发周期尽可能地缩短，由组态软件中的上位机编程软件来调整系统参数㊂通过上位机ＲＳ２３２接口负责将参数发送给下位机，在ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ接收到信号后将电路采集的数据进行矢量计算，由ＣＰＵ输出ＳＰＷＭ波形并送入到驱动电路的输入端口；ＳＰＷＭ波经过驱动电路输出放大的ＳＰＷＭ波形；经过滤波电路输出三相正弦波㊂ＣＰＵ对系统的运行状态进行实时监控，在系统出现短路㊁过流等故障时，则可通过检测电路检测出故障信号，并经过处理再转换为电压信号，然后将信号输出并封锁，以此来保障电机的运行㊂（一）电路设计１．主电路设计主电路采用交流－直流－交流的电路结构，由整流㊁中间滤波以及逆变器组成㊂具体采用ＩＲ２３０集成电路，该种电路适用于功率ＭＯＳＥＦＥＴ所驱动的照明镇流器㊁电源和电机等㊂通过改变输入逆变器的ＳＰＷＭ波的宽度来调节输出波形的频率，以此来实现变频的目的㊂２．控制电路设计芯片作为控制电路的核心部件具有重要的意义，文章采用ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ单片机，其主要功能是将检测数据转换为ＳＰＷＭ波，处理输入和输出端数据，以起到系统控制的作用㊂ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ集成了控制ＰＷＭ输出定时器，每个定时器都能够输出三相ＰＷＭ波形，各定时器之间通过联合电机的反馈环控制㊂３．检测电路设计系统在理想的情况下能够稳定地运行，但是在实际应用过程中，各种因素都有可能导致系统出现故障㊂处于增强系统运行稳定性的目的以及在系统出现故障时的保护，需要对电路进行实时的检测，检测电路由过流㊁过压检测及保护电路以及转速度检测及保护电路组成㊂过流检测电路是通过电流传感器来实现对三相异步机的三相电流㊂当三相异步机出现过路电流时自动切断继电器电源㊂电压检测和保护电路主要是检测通过整流输出的高压直流的母线电压，由于母线电压对逆变系统具有较大的影响，因此需要设计保护电路㊂过压保护电路采用串联保险丝与并联压敏电阻的方法㊂通过保险管来限制了过大的电流，压敏电阻是在电压过大的情况下降低电路的电压以起到保护的作用㊂转速检测电路采用电增量编码器作为速度传感器㊂增量编码器是通过数字的形式来确定被检测目标相对于基点的瞬时位置，通过接口转速检测电路测量电机的角速度㊂（二）频率显示模块由于单片机ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ的驱动能力不够，这就需要采用三极管驱动数码对变频器的频率进行直观地显示，从而实现精确控制的目的㊂四㊁系统软件设计本系统采用的是基于ＳＰＷＭ的电流控制方法，通过处理采样信号来产生ＳＰＷＭ驱动信号对逆变器进行控制㊂在系统上电后，初始化模块仅设置一次，然后就循环执行控制程序，并在这个执行的过程中定时发生中断，系统执行程序在中断与主程序中进行，所产生的ＳＰＷＭ信号加入数据处理模块中运算，将运算结果储存到ＭＣＰ寄存器中，通过对逆变器的控制来调节电动机的速度来完成控制信号的产生㊂五㊁调试在对系统调试的总体思路是先进行部分调试，然后再进行整体调试㊂当系统上电时，首先对其电源工作是否正常进行检测，在系统正常工作后采用示波器来观察ＰＷＭ波形㊂最后，将１８Ｖ电压加到系统输入端，并在系统负载端串上滤波电路㊂六㊁结论文章在对大量资料进行收集㊁分析和整理学习的基础上，以三相交流异步电动机作为被控制对象，采用ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ单片机作为处理器，通过ＳＰＷＭ控制技术对交流电机实现恒压频比控制，设计出了基于ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ交流电机变频器，在考虑实际生产中硬件结构的基础上，编写了相应的软件程序，所设计的变频器电路结构简单，可靠性高且实用性好，基于三相交流异步电动机的变频调速将具备广阔的应用前景㊂参考文献：［１］向楠，黄道业．基于ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８Ａ单片机的交流变频器的设计［Ｊ］．西安文理学院学报（自然科学版），２０１５（２）：１１－１３．［２］吴守帧，藏英杰．电气传动的脉宽调制和控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９５．作者简介：张丁雷，杭州浙泰电气有限公司㊂８８１。
基于51单片机控制的异步电动机变频调速技术
毕业设计（论文）任务书基于51单片机控制的异步电动机变频调速技术—f=15Hz,N=12,M=0.85摘要本文以三相调速系统为基础，阐述了基于8位单片机MCS-51为PWM控制器，配合采用IGBT为主动功率器件完成三相异步电动机的PWM交流变频调速。
此调速系统充分利用了MCS-51单片机12MHz主频，为产生精准的PWM控制波形提供了良好的硬件基础。
在此控制方式中，采用规则采样法，用正弦波来调制等腰三角形，从而得到一系列的等幅不等宽的PWM波形。
在逆变器主电路中，6个IGBT的导通和关断由MCS-51单片机P1口控制字决定，其中控制字是通过波形调制图上各项电压在每一段时间段上的高低电平来决定的。
另外，本文还介绍了MCS-51单片机的结构，中断系统和定时器的使用。
最后通过编写MCS-51单片机控制的主程序和中断程序来实现正弦脉冲宽度调节，方便的实现变频调速。
通过MATLAB仿真可以得到PWM变频调速的结果，最后和通过单片机产生PWM控制波所得到的实验结果一致，进一步证明了51单片机控制异步电动机变频调速脉宽调制技术的正确性和可行性。
关键词：调速系统；变频器；异步电动机；MCS-51单片机51single-chip control of asynchronous motor variable frequency speed regulating pulse width modulation technology—f=15Hz,N=12,M=0.85AbstractTo three-phase asynchronous motor speed control system based on MCS-51 based 8-bit single-chip for PWM control of the core，coupled with the use of IGBT-based power device to complete three-phase asynchronous PWM AC variable frequency motor speed control.Take full advantage of the speed control system of MCS-51 single-chip frequency of up to 12MHz，in order way，we use the rule to adopt method，use the sine wave to modulate the waist triangle and get a series of wave according to the equivalent area-theory，the PWM form of sine expected are equivalent.In the main circuit of the inverter,the open and shut of every thyistor is determined by the controlling word of MCS-51，andthecontrol word is determined by the high-low voltage of each phase voltage on the chart of wave brewage in every period of time.Moreover，this article also introduces the MCS-51 micro controller structure，the interruption system and the timer.Finally，through compiling the main procedure and the interruption procedure，we change the power source frequency of the converter，and through the results produced by MCU control PWM，the experimental results proved the 51-series microcomputer based on asynchronous motor inverter PWM correctness and feasibility of the method.Keyword: speed control system; inverter; asynchronous motor; MCS-51目录摘要 --------------------------------------------------------------------- I Abstract ---------------------------------------------------------------- II 第一章概述 -------------------------------------------------------------- 11.1 单片机概述---------------------------------------------------------- 11.1.1 单片机介绍------------------------------------------------------ 11.1.2 单片机的分类---------------------------------------------------- 31.1.3 工作过程-------------------------------------------------------- 31.1.4 应用------------------------------------------------------------ 41.1.5 常用单片机芯片简介---------------------------------------------- 51.2 PWM调速系统的组成和功能-------------------------------------------- 61.2.1 PWM信号发生与调节模块 ------------------------------------------ 61.2.2 PWM信号放大与电机驱动模块 -------------------------------------- 61.2.3负载模块 -------------------------------------------------------- 6 1.3 计算机仿真概述------------------------------------------------------ 61.4 交流调速系统的发展概述---------------------------------------------- 71.4.1 电力拖动发展---------------------------------------------------- 71.4.2 交直流调速系统的优缺点------------------------------------------ 71.5 变频系统介绍-------------------------------------------------------- 81.5.1 变频器分类及简介------------------------------------------------ 81.5.2 变频常用控制方式介绍-------------------------------------------- 9 第二章交-直-交变频调速系统的MATLAB仿真 -------------------------------- 112.1 MATLAB仿真软件简介------------------------------------------------ 112.1.1 MATLAB的基本应用 ---------------------------------------------- 112.1.2 MATLAB系统结构 ------------------------------------------------ 112.1.3 MATLAB优势 ---------------------------------------------------- 122.2 MATLAB仿真系统的建模与仿真---------------------------------------- 142.2.1 变频调速系统模型的搭建及其仿真--------------------------------- 142.2.2 三角载波和正弦波合成----------------------------------------- 152.2.3 变频调速系统模型参数设置--------------------------------------- 152.2.3 仿真所得波形--------------------------------------------------- 17 第三章 PWM控制技术------------------------------------------------------ 183.1变频调速原理及其应用----------------------------------------------- 18 3.2 PWM型三相逆变电路工作原理----------------------------------------- 18 3.3 SPWM模式下交直交变频器工作原理------------------------------------ 193.3.1 SPWM波的生成 -------------------------------------------------- 203.3.2 SPWM的调制 ---------------------------------------------------- 213.3.3 SPWM输出波形的分析 -------------------------------------------- 223.3.4 SPWM优点 ------------------------------------------------------ 223.4交-直-交电压源变频器主电路的组成及工作原理------------------------- 22 第四章单片机 ----------------------------------------------------------- 244.1 单片机原理及结构--------------------------------------------------- 244.1.1 单片机的基本原理----------------------------------------------- 244.1.2 单片机硬件内部结构--------------------------------------------- 244.1.3 单片机硬件外部结构--------------------------------------------- 304.2 MCS-51单片机的中断系统-------------------------------------------- 324.2.1 中断系统的结构------------------------------------------------- 324.2.2 中断处理流程--------------------------------------------------- 324.2.3 MCS-51的中断源 ------------------------------------------------ 334.2.4 中断的控制----------------------------------------------------- 344.2.5 中断的响应----------------------------------------------------- 354.2.6 定时器的方式寄存器TMOD和控制寄存器TCON ----------------------- 364.2.7 定时器/计数器的结构-------------------------------------------- 374.2.8 定时器∕计数器的初始化----------------------------------------- 374.2.9 定时器∕计数器的工作方式--------------------------------------- 37 第五章 PWM波的实现------------------------------------------------------ 395.1数据处理----------------------------------------------------------- 395.1.1驱动电路数据导出 ----------------------------------------------- 395.1.2数据处理 ------------------------------------------------------- 405.2 MCS-51单片机编程-------------------------------------------------- 425.2.1单片机程序流程图 ----------------------------------------------- 425.2.2应用程序 ------------------------------------------------------- 435.3 Proteus软件简介及其仿真------------------------------------------- 475.3.1 Proteus软件简介 ----------------------------------------------- 475.3.2 Proteus软件仿真----------------------------------------------- 475.4 示波器输出波形----------------------------------------------------- 485.4.1 上下桥臂互补信号流程图----------------------------------------- 485.4.2 相邻桥臂之间信号及其信号差图----------------------------------- 49 总结 -------------------------------------------------------------------- 51 致谢 ------------------------------------------------------------------- 52 参考文献 ---------------------------------------------------------------- 53外文翻译 ---------------------------------------------------------------- 54 中文翻译 ---------------------------------------------------------------- 64第一章概述本文主要研究了利用MCS—51单片机，通过PWM方式控制异步电动机调速的方法。
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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)结束语…………………………………………………………………………………………………错误！未定义书签。
附录 (47)参考文献 (55)11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。
2第三代电力电子器件以双极性绝缘栅晶体管（IGBT）和电力场效应晶体管（MOSFET）为代表，在20世纪70年代开始应用。
它是一种电压（场控）型自关断电力电子器件，具有在任意时刻用基极（栅极、门极）信号控制导通和关断的功能。
其开关频率达到了20 kHz甚至200kHz 以上，为电气设备的高频化、高效化、小型化开创了条件。
第四代电力电子器件，有出现于20世纪80年代末的智能化功率集成电路（PIC）和20世纪90年代的智能功率模块（IPM）、集成门极换流晶闸管（IGCT）。
它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高性能化及功率集成电路的大规模化，包括了逻辑控制、功率、保护、传感及测量等电路功能。
经过40多年的发展，电力电子技术已成为一门多学科的边缘技术，它包含交流电路、电力电子器件、计算机辅助设计、模拟电子学和数字电子学、微型计算机、控制理论、超小规模集成电路、高频技术和电磁兼容等。
电力电子技术的发展方向是：高电压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化。
应用的技术有：脉宽调制（PWM）、滑模控制、非线性变换、功能控制及交流电动机矢量控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等。
变频技术应用最广的是变频器。
通用变频器的发展趋势是：（1）数控化。
采用新型电脑控制，例如日本富士公司的大于等于3 0kW变频器，采用两个16位CPU，一个用于转矩计算，另一个用于数据处理，实现了转矩限定、转差补偿控制、瞬时停电的平稳恢复、自动加/减速控制及故障自诊断等。
对于小于等于22 kW变频器采用一个32位数字信号处理器（DSP），提高了计算、检测和响应的速度，扩充和加强了其处理功能。
（2）高频化。
为适应纺织和精密机械等更多领域的高速需求，变频器的频率已由过去的0～50～120 Hz，发展到400 Hz，目前已提高到600～1000 Hz，甚至3 kHz以上。
（3）数显化。
由过去的指示灯、发光二极管、LED数码管，发展到目前的液晶显示（LCD），显示行数有1、2、3、4行等。
1.3设计的主要内容及意义1.3.1主要内容本设计主要是实现单片机对变频器逆变部分的控制。
所控制的变频器采用交流—直流—交流的变频方式，主电路由整流电路和逆变电路两部分组成，即先由整流电路将工频交流电转换成直流电，再由逆变电路将直流电转换成频率可调的交流电。
系统的整流部分采用晶闸管三相桥全控方式，双窄脉冲触发，脉冲移相控制；逆变电路采用正弦脉宽调制（SPWM）控制，电子元气件选用绝缘栅双极性晶体管（IGBT），触发信号由单片机编程产生。
系统采用两级计算机控制系统来进行控制。
下位机选用美国ATMEL公司生产的AT89C2051单片微型计算机，其主要任务是生成IGBT的触发信号；上位机选用一般的个人计算机，通过软件编程来设定系统要求达到的频率值。
系统工作过程中电动机的中心频率、换相周期等参数由键盘设定并通过RS—232串行通讯传输给下位机。
下位机接收到上位机传来的参数后，按设定的时间控制IGBT的通断，从而控制系统中电动机的各种特性的变化，产生符合工作要求的频率。
31.3.2意义本设计采用全数字化方案产生正弦脉宽调制SPWM 信号以控制功率器件的开关，完成优化的实时在线的PWM 信号输出。
PWM有可以同时实现变频变压及抑制谐波的特点，因而可在交流传动及其它能量变换系统中得到广泛应用。
42 变频器基本原理与系统硬件设计变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着相同的基本结构，其实现的基本原理也相同。
2.1变频器基本结构及功能原理[2]2.1.1 变频器的基本结构变频器是由主回路和控制回路两大部分组成的。
主回路由整流器（整流模块）、滤波器（滤波电路）和逆变器（大功率晶体模块）三个主要部分组成。
控制回路则由单片机、驱动电路和光电隔离电路组成。
变频器基本上都有着图2-1所示的基本结构。
图2-1 变频器的基本构成2.1.2变频器的功能原理虽然变频器的种类很多，其内部结构也各有不同，但大多数的变频器都有着图2—1的基本结构，它们的区别仅仅是控制电路的和检测电路实现的不同以及控制算法的不同而已。
结合图2—1简单介绍一下变频器各部分电路的基本作用。
一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。
它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。
直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。
逆变电路是变频器最主要的部分之一。
它的主要作用是在控制电路的控制下将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。
2.2系统硬件设计本系统的硬件设计主要分两部分：变频器的主电路部分和控制电路部分，系统以控制电路的设计为重点。
系统总的硬件结构如图2—2所示。
5图2-2 系统硬件总结构2.2.1系统变频器主电路系统所选的变频器主电路和一般变频器相似，其基本结构如图2—3。
图2-3 变频器主电路2.2.2整流单元[3]在一般的SPWM 逆变电路中，使用的是二极管不可控整流，而本系统采用的是晶闸管三相桥全控整流。