三相逆变电路控制器设计

三相逆变电路控制器设计

摘 要

文章提出了用80C52单片机与高精度三相可编程PWM 集成芯片SA4828相结合的三相逆变电路及其控制器的设计方案, 介绍了三相逆变器的主电路、控制电路、保护电路和软件的设计原理与过程。试验结果表明, 该电源变压变频功能控制灵活、简便、有效, 能够较好地适应负载的用电要求。介绍了SA828的原理、优点及应用SA828设计静止逆变器的方法，讨论了静止逆变器的控制单元电路和软件控制的设计原理与设计过程，验证了从静止逆变器中得到预计的PWM 波形。

逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，随着现代电力电子技术的迅猛发展，逆变电源在许多领域的应用也越来越广泛，同时对逆变电源输出电压波形质量提出了越来越高的要求。逆变电源输出波形质量主要包括三个方面:一是输出稳定精度高; 二是动态性能好; 三是带负载适应性强。因此开发既具有结构简单，又具有优良动、静态性能和负载适应性的逆变电源，一直是研究者在逆变电源方面追求的目标。

关键词:80C51或52单片机; SA4828;三相逆变电源 SPWM;脉宽调制; 数字化

Three-phase inverter circuits controller

design

ABSTRACT This paper puts forward the 80 C51 single chip microcomputer with 52 and high precision or three-phase programmable PWM integrated chips SA4828 combination of three-phase

inverter power supply, the design of three-phase inverter introduced the main circuit and control circuit, protection circuit and the software design principle and process. The test results show that the power frequency conversion variable pressure control function in a flexible and easy, effective, and can better meet the load of power requirements. Introduces the principle of SA838, advantages and application of static inverter SA838 design method, and discusses the static inverter control unit circuit and software of the control design principle and design process, and verifies the static inverter from get expected PWM waves.

Inverter power supply is the development of the power electronics device and the

development of the contact together, along with the development of modern power electronic technology in the rapid development, inverter power supply in many areas and more extensive application, and the inverter power supply output voltage waveform quality put forward more and more high demand. Inverter power supply output waveform quality mainly includes three aspects: one is the output stability high precision; 2 it is good dynamic performance; Three is to bring load strong adaptability. So development both has simple structure, and has good dynamic and static performance and load adaptation of the inverter power supply, the researchers in the inverter power supply is always in pursuit of the goal.

Keywords: 80 C51 single chip microcomputer or 52; SA4828; Three-phase SPWM inverter power supply; Pulse width modulation; digital

目 录

第一章绪论..................................................................1

1.1逆变电路基本概念.......................................................1

1.2逆变电路控制器发展状况................................................2

1.3逆变电路控制器的背景意义和研究内容.....................................3

1.4 总体设计原则..........................................................3

1.5本次设计逆变器的参数要求...............................................4

第二章逆变电路主电路的设计..................................................5

2.1逆变电路的基本电路....................................................5

2.2逆变电路驱动部分......................................................7

2.3保护电路..............................................................9

2.4直流升压电路........................................................9

2.5 A\D转换电路及采样电路.................................................10

2.5.1 采样电路.........................................................10

2.5.2 A/D转换电路.... 。..................................................10

第三章逆变电路控制系统的设计...............................................12

3.1逆变系统原理.........................................................12

3.2正弦脉宽调制SPWM 的原理与实现..........................................13

3.3 SPWM 波的产生原理......................................................14

3.3.1自然法产生SPWM 波..................................................14

3.3.2规则采样法生成SPWM 波..............................................15

3.4 SA4828芯片产生SPWM 波.................................................16

3.4.1 SA4828的特点......................................................16

3.4.2 SA4828的管脚功能..................................................17

3.4.3 SA4828芯片的工作原理..............................................17

3.4.4 SA4828组成的变频器电路............................................20

3.5 AT89C52单片机对SA4828的控制..........................................21

3.5.1AT89C52单片机的介绍...............................................21

3.5.1.1主要功能特点.................................................21

3.5.1.2管脚功能及电压................................................21

3.5.1.3单片机的编程..................................................22

3.5.2逆变器的控制电路构成..............................................23

第四章逆变电路控制器的程序设计......................................... ...25

4.1正弦波的设计与实现....................................................25

4.1.1正弦波实现的结构图................................................25

4.1.2波形图............................................................25

4.2 控制器软件设计.......................................................25

第五章结束语...............................................................29

4.1本文工作总结.......................................................29

4.2展望................................................................29

参考文献...................................................................30

致谢.......................................................................31

第一章 绪论

电源设备是一种量大面广、通用性很强的电子产品。几乎在现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防等部门都要使用电源，在其它各个行业及日常生活中，电源也得到了广泛应用。随着科学技术的发展，对电源设备也提出了更高的要求。为了满足众多的用户，电源的规格品种是越来越多，由于电源的应用对象具有多样性、新颖性和复杂性，所以电源设备不仅要做到高质量、高效率、高可靠性，而且要有适应其各式各样负载的输出特征。三相输出的逆变电源，在集中供电等多数情况下，都会面临三相负载不平衡问题，严重的是负载100％不平衡。即使电源在安装使用之初，尽量分配三相负载达到平衡，可在用电过程中却无法保证三相负载同时开、关机，加上逆变器内阻比起发电机的内阻要大得多，因而引起的各种影响不得忽视。

逆变电源是一种采用电力电子技术、控制技术进行电能变换的装置，它输入交流或直流，经过电能变换，输出稳压恒频的交流。逆变电源技术是一门综合性较强的专业技术，它贯穿电力、电子、微处理器及自动控制等多学科，是目前电力电子产业研究的热点之一。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域

1.1逆变电路基本概念

我们把将直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆变器。若按直流电源的性质来分类，逆变器可分电压型逆变器和电流型逆变器。

在电压型逆变器中，直流电源是蓄电池或由交流整流后经大电容滤波形成的电压源。电压源的交流内阻抗近似为零，桥臂输出电压为幅值等于输入电压的方波电压。为使使电感性负载的无功能量能回馈到电源，必须在功率开关两端反并联二极管。

在电流型逆变器中，直流电源是交流整流后经大电感滤波形成的电流源。电流源的交流内阻抗近似为无穷大，桥臂输出电流幅值等于输入电流的方波电流。为承受负载感应电势加在功率开关上的反向电压降，必须在功率开关上串联二极管。

若按输出端相数分类，逆变器可分为单相逆变器如图1-1(a)(b)和三相逆变器(c)，其中单相逆变器按结构又可分为半桥逆变器和全桥逆变器。单相半桥逆变电路是所有复杂逆变电路的基本组成单元。三相逆变器又按输出有无中线可以分为三相三线制逆变器和三相四线制逆变器。按照逆变器的额定输出功率来分类，逆变器可分为小容量逆变器 (0.5KVA一 1OKVA) 、中等容量逆变器 (10KVA一50KVA) 及大容量逆变器(50KVA以上) 。

图1-1 逆变电路结构

1.2逆变电路控制器发展状况

在光伏发电系统中, 并网逆变器通常用来将高质量的电能馈入电网。但是由于死区控制、电网扰动等因素的影响, 逆变器馈入电网的电流中含有大量谐波成分。由于带宽的限制, 单纯的比例积分控制器不能有效地抑制谐波。因此提出了一种由比例积分控制器(PI)和重复控制器(RC)并联构成的复合控制器以提高系统的谐波电流抑制能力。

由于PWM 控制技术具有可以同时实现变频、变压、抑制谐波的特点，所以一直是变频领域中的核心技术，其应用相当广泛。最常用、最流行的SPWM 技术在CVCF 电源中始终占主导地位。其基本实现方法一类是采用模拟集成电路完成正弦调制波与三角波载波的比较，产生SPWM 信号；另一类是采用数字方法。随着应用的深入和集成技术的发展，已商品化的专用集成电路（ASIC ）和专用单片机（8X196/MC/MD/MH）以及DSP ，可以使控制电路结构简化，集成度高。由于数字法一般价格比较高，需要专用开发装置，交叉汇编，软件设计复杂，调试工作量大，这对于一些对生产成本比较敏感的产品和中小容量的变频器也是一种浪费

逆变器是应急电源的重要组成部分。为了实现应急电源中逆变器输出交流电压的适时调节，减小输出电压谐波达到逆变电路数字化控制目的，三相逆变电路采用了正弦脉宽调制(SPWM)控制方法，以C8052单片机和SA4828为核心，完成对SPWM 波的产生及系统的控制。利用单片机特有的端口连接完成外围控制功能，这样就减少了应急电源对波形产生的处理时间，保证波形具有较高精度，而且电路硬件连接简单。

1.3逆变电路控制器的背景意义和研究内容

随着社会发展，越是信息化、现代化，就越依赖于电力，突然断电会给人们正常的生活秩序和学习带来影响，尤其对于生产、生活中特别重要的负荷，一旦中断供电，将会造成重大的经济损失。应急电源产品已成为很多重要场所必不可少的重要设备，也是能够最有效地解决停电事故和电力质量不稳定等问题的有效途径，而逆变电路是应急电源的重要组成部分。逆变电路在应急电源中的作用是当市电断电或发生异常时，将蓄电池提供的直流电压逆变为三相交流电输出，以保证重要负荷或设备的正常运行。目前，逆变电源大多采用正弦波脉宽调制(SPWM)技术，其控制电路大多采用模拟方法实现。模拟控制技术虽然已经非常成熟，但存在很多缺点如：控制电路的元器件多，电路复杂，体积较大，灵活性不够等。本文设计了一种全数字化的三相PWM 逆变电源，利用专用SPWM 波形发生器与单片机连接产生逆变驱动信号SPWM 波，设计中选用了单片机C8052控制和MITEL 公司的SA4828芯片作为波形发生器。

早些时候人们一直用旋转型变流机组产生交流电，旋转型变流机组它是由同轴联接的原动机和发电机组成的，其中原动机可以是油机，也可以是电动机，输出交流电压是发电机发出的。但旋转型变流机组存在噪声大、输出电压的动态特性差、机械损耗和电能损耗较大、效率较低、设备庞大笨重、操作不够灵活等诸多弊病，于是人们一直寻求新型产生交流电的装置。

随着电力电子技术、各行各业自动化水平及控制技术的发展和其对操作性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，对电源的要求越来越高。许多行业的用电设备如电动机变频调速器、通信电源、电弧焊电源等都不是直接使用交流电网所提供的交流电(50Hz，22OV) 作为电源，而是通过各种形式对其进行变换而得到各自所需的电能形式，它们所使用的电能大都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。在实际应用中，很容易直接从交流电网中获得电能，所以从DC/AC式逆变电源基础上发展起来的AC/DC/AC逆变电源得到了越来越广泛的应用。设计内容如下

（1）研究当前SPWM 波形的产生方法，通过比较选择一种适合以本系统的SPWM 的产生方法。

（2）简单分析单相逆变电源控制电路，主电路，检测电路以及保护电路。

（3）研究分析三相逆变器的硬件构成。

（4）进行三相逆变电路控制器的软件设计。

1.4总体设计原则

(1)稳定性原则

硬件电路在设计时，由于某些元件存在漂移等问题，会出现自身系统的不稳定性。因此要求硬件电路工作时能保持功能电路的稳定，包括输出频率稳定，输出电压稳定，输出正弦波失真度小、效率高，而且输出电压的稳定是所有逆变电源厂商共同的目标。

(2)可靠性原则

有了逆变电源，就可利用直流电蓄电池、开关电源、燃料电池等转换成交流电为电器提供稳定可靠的用电保障，如笔记本电脑、手机、手电、数码相机以及各类仪器等; 逆变电源还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音在风能、太阳能领域，逆变电源更是必不可少。因为逆变电源的广泛使用，所以逆变电源本身一定要能可靠运行才能保证用电器的稳定工作，进而实现对正弦逆变电源波形的控制研究才会有实际的意义。

(3)低成本原则

目前市场有很多不同种类的逆变电源，考虑到为了使该系统更为广泛的推广、更能体现出本身的优势，故一定要遵守低成本原则。

1.5本次设计逆变器的参数要求

（1）输入电压：市电三相电源 380VAC± 10％。

（2）输出电压：输出为三相 220VAC(有效值) 、频率为 50Hz 的稳压电源。

（3）输出功率：3KW ，允许过载 10％。

（4）整机效率：设计目标为 90％。

（5）稳压精度：小于± 2％。

（6）IGBT 的型号参数：IGBT 的最低耐压值为886.5V

IGBT的额定电流为25A

综上所述，在本系统设计中，我们可选择日本富士公司生产的

2MBI25L-120（6单元 25A/1200V）型 IGBT 管，该管耐压 1200V，

电流容许值为 25A。

第二章 逆变电路主电路的设计

2.1逆变电路基本电路

图2-1是逆变电路的构成。由蓄电池提供的直流电通过三相逆变电路变为交流电, 其基波频率是逆变电源的输出频率, 该交流信号经过输出变压器隔离, 再由低通滤波器滤去谐波, 获得负载所需的三相正弦交流电。三相逆变器主电路如图2-2所示, 是由三相逆变桥，变压器、滤波器组成，结构图如下：

图2-1 三相逆变电路及其控制组成 逆变器开关器件采用6单元IPM 智能功率模块。LCR 低通滤波器中电感L 的作用是抑制高次谐波通过; 电容C 为逆变器产生的高次谐波提供旁路; 电阻R 起阻尼作用, 防止或抑制谐波的产生。在市电工作中断或者不正常时, 蓄电池电压被加到直流总线上, 通过由智能功率模块组成的逆变器, 然后通过由LCR 组成的滤波器和三相功率变压器, 形成相电压为220 V的三相正弦交流电给负载供电。三相逆变器的开关器件采用日本富士公司型号为2MBI25L-120（6单元 25A/1200V）型 IGBT 管，该管耐压 1200V，电流容许值为 25A。 安全工作区较宽, 驱动功率小、开关频率高、饱和压降低。另外该模块还具有带过流控制、滤波器体积小、噪声低、易散热、可靠性高等特点。模块的驱动信号为正弦脉宽调制(SPWM)信号。

功率元件智能功率模块IGBT-IPM 是以功率器件IGBT 为主体, 同时把驱动电路、多种保护电路及报警电路等功能电路集成在同一模块内的新型混合集成电路。用智能功率模块作为电源的功率器件, 可以简化硬件电路的设计, 缩小电源体积, 更主要的是提高了系统的安全性和可靠性。在选用智能功率模块IPM 时, 根据电压和电流的定额选择。功率元件的电流定额考虑(2~3)倍的安全裕量。计算电流时应满足在输入电压波动为最低时仍能满足

输出功率。根据给定的技术参数计算功率元件的最大输出功率、额定电流值、额定电压值, 最终选用。2MBI25L-120（6单元 25A/1200V）型 IGBT 管，该管耐压 1200V，电流容许值为 25A。

三相逆变主电路如图2-2所示。

图2-2三相逆变主电路

(a)、(b)分别为不带变压器、带变压器的三相桥式逆变电源主电路原理图(吸收电路省略未画) ，在实际使用过程中为了实现直流侧与交流侧电气隔离，通常使用图2一2(b)带变压器隔离的方式，此方式还有一大优点，就是当三相逆变器中变压器常常被连接成△/Y或△ /Y0(YO代表有中线的Y 连接) 方式，这样变压器原边电流中的三次分量可以流通，使变压器铁芯中可以建立正弦形的主磁通。三相逆变电源主电路也由整流平波部分、逆变器、吸收电路部分、变压器及滤波器部分组成。三相逆变电源主电路与单相逆变电源主电路功能类似。

2.2逆变电路的驱动部分

对于IGBT 来说，只要驱动电路在栅极和发射极之间提供正偏压IGBT 就会导通。当+VGE增加时，开通时间和通态压降减小，这对减小通态损耗和开通损耗有利，这并不意味着+VGE，越大越好。当负载短路时，支路电流将随着+VGE的增大而增大，并使IGBT 承受短路电流的时间变短，因此，+VGE取值要适当，通常推荐使用 +15V。为了保证IGBT 在C 、E 间出现dv/dt噪声时可靠关断，必须在栅极与发射极关断时施加一个负偏压-VGE ，采用负偏压还可以减小关断损耗。负偏压-VGE 一般取-5V 左右为宜。故为了使IGBT 工作在理想状态下，选择合适的驱动电路显得尤其重要，驱动电压过大过小都不利。

本文选用日本富士公司的驱动模块EXB841作为驱动电路，EXB841是一种混合型IC ，它能驱动高达400A 、600V 的IGBT 复合功率模块或者高达300A 、1200V 的IGBT 复合功率模块。因为驱动电路对驱动信号的延迟时间≤1μs, 导通时间≤1.5μs, 所以此混合型IC 特别适合工作于高达约40KHz 开关频率。EXB841的原理方框图如图2-3所示，其引脚功能见表

图2-3 EXB841的原理方框图

EXB841的管脚功能：

① 连接用于反向偏置电源的滤波电容

② 电源+20V

③ 驱动输出

④ 连接外部电容防止过电流保护电路误动作

⑤ 过电流保护输出

⑥ 集电极电压监视

⑦ 不接

⑧ 电源

⑨ ⑾不接

⒁ 驱动输入信号{-}

⒂ 驱动输入信号{+}

它有以下几个特点:

采用高绝缘耐压的光耦实现电气隔离，因此，耐压高达AC480v 。驱动电路的信号延迟时间仅受控于光耦合器的信号延迟时间，因此驱动电路对驱动信号的延迟时间极短。 (l)EXB841仅需DC20V 单电源供电，但却能给IGBT 提供+15V的门极开通正电压和-SV 的门极关断负偏压。

(2)具有过流保护功能。EXB841通过检测IGBT 的饱和压降来判断IGBT 是否过流，IGBT 一旦过流，EXB841通过慢速切断电路实施软关断，并输出过流故障信号。

以 EXB841为核心的IGBT 驱动电路如图2-4所示。+20V电压经稳压管DW11稳压后得到+20V电压，给EXB841供电。驱动电阻R18为20Ω。当驱动信号为低电平时，IGBT 得到+15V的正栅压，使IGBT 导通; 当驱动信号为高电平时，IGBT 得到-5V 的负栅压，使IGBT 关断。在图2一4中，R19为门极保护电阻，可降低门极输入阻抗，防止IGBT 误导通。稳压管DW2、DW6使EXB841为IGBT 提供稳定无波动的+15V和-5V 的开通和关断电压，同时防止门极过压击穿。本文在使用以EXB841为核心的驱动电路时，为了在输出得到理想的输出波形，还从以下几个方面加以注意:

(l)驱动电路和IGBT 间的引线尽量短，如果不能做到尽量短，必须不大于lm 。引线用双绞线。

(2)在驱动电路与IGBT 栅极间加驱动电阻以降低集电极产生的电压尖脉冲噪声。如果加驱动电阻以后仍发现尖脉冲噪声很大则应增大驱动电阻。

(3)在EXB84! 的供电电源DC20V 与地之间加电解电容用来吸收电源引线过长过细所导致的阻抗而引起的供电电压的变化和波动。

图2-4 IGBT 驱动电路

2.3保护电路

为保证逆变过程中功率转换电路能安全可靠工作, SA4828提供了功率驱动保护中断输入引脚SETTRIP, 利用它可以方便的实现各种保护功能, 具体实现框图如图2-5

图2-5 保护电路

各种故障信号经与门74HC08综合后, 经光电隔离及电平转换后输入到SETTRIP 引脚。当有任何故障发生时, 74HC08输出低电平, 光耦PCW7工作, 在经过非门以后, SET TRIP引脚相应被拉为高电平, 此时80C196KC 所有PWM 输出管脚全部呈现高阻状态, 即封锁PWM 输出。这个功能对实现各种故障信号的快速处理非常有用。

2.4直流升压电路

必须在直流电源和逆变器之间加一个DC-DC 升压电路, 它的功能是将DC 升到逆变器额定值左右供给逆变电路。

在DC-DC 斩波电路中, 推挽升压电路原理简单, 工作可靠, 是直流升压电路中常用的电路

拓扑。推挽电路主要由IGBT 、储能电感、电容和二极管组成, 其原理电路如图2-6所示。

图2-6 直流升压电路

2.5 A\D转换电路及采样电路

因系统输入市电电压是波动的，而输出要求是稳定的 220V 电压，所以需经采样电路采样输出电压，得到的模拟量再经过 A/D 转换电路转换为数字量，然后送往单片机，单片机通过一定的算法使输出电压稳定在 220V。

2.5.1 采样电路

本系统的采样电路如图 2-7 所示，输出电压经变压器变压后再经整流堆整流，输出的是脉动的电压，此电压再经电阻R6和电容C5组成的滤波器滤波后，成为稳定的直流电压，经可变电阻 R7 调节后送往 A/D 转换电路。我们可以调节电路，使得当系统输出电压有效值是 220VAC 时，电路输出电压是 2.5VDC，该电路可在系统输出电压的一定变化范围内具有线性关系。

图2-7 采样电路

2.5.2 A/D转换电路

采样电路得到的模拟信号必须经A/D转换器转换为数字量后才能送往单片机进行处理。本系统中，我们采用 ADC0809，它是 CMOS 工艺、采用逐次逼近法的 8 位 A/D 转换

芯片28脚双列直插式封装，片内除 A/D 转换部分外还有多路模拟开关部分。ADC0809 最多允许 8 路模拟量分时输入，共用一个 A/D 转换器进行转换，图 3-9 是它与单片机 AT89C51 的接口电路。ADC0809 由 8 路模拟开关、8 位 A/D 转换器、三态输出锁存器以及地址锁存译码器等组成。其引脚功能说明如下：

OE 为输出允许控制端。

CLK 为时钟信号，最高允许值为 640KHz。

VREF(+)和 VREF(-)为 A/D 转换器的参考电压。

如图2-8ADC0809 与 AT89C51 的接口，在此，我们采用查询方式。这里将 ADC0809 作为一个外部扩展并行 I/O 口，由于只采样一个通道值，所以在此我们采用固定寻址法，只寻址 IN0 通道，另外，由 P2.7 和WR 联合控制启动转换信号端 START。

ADC0809 的时钟取自 AT89C51 的 ALE 经二分频双 D 触发器之一后的信号（接CLK 端）。当A/D转换完毕，AT89C51读取转换后的数字量时，需使用MOVX A,@DPTR指令，在如图 3-9 所示的接口电路中，ADC0809 与片外 RAM 统一编址，在使用MOVX 指令时一个周期内丢失一个 ALE 脉冲，但这不影响 A/D 转换的时间。

图2-8 ADC0809接口电路

第三章 逆变电路控制系统的设计

3.1逆变系统原理

本文所研究的电源是为了在输出得到稳压恒频的交流电压信号，故采用电压型逆变电路。在同一直流电压输入情况下，全桥逆变电路输出电压是半桥逆变电路输出电压的二倍，故文中逆变电源逆变器部分采用全桥逆变电路。下面介绍全桥逆变电路:

电路原理图见图3一1，它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180度，即1，4导通时关断2，3；2，3导通时，关断1，4。负载为阻感负载时，其输出波形如图3一2所示。图中VD1，V1，VD2，V2相继导通的区间，分别对应与图3一1中的VD1和VD4，V1和V4，VD2和VD3，V2和V3相继导通的区间。

图3-1全波逆变电路及其输出波形

对其电压波形进行定量分析，把幅值为U 、的矩形波U 。展开成傅立叶级数得

11(sinωt +sin ωt +sin ωt +......) (3.1) π35

其中基波的幅值和基波有效值分别为： U 0=4U d

U olm =

U ol =22U d 4U d π=1.27U d (3.2) π=0.9U d (3.3)

于是由逆变原理3-1知，如果控制IGBT 的开通与关断的频率，那么输出电压的频率和IGBT 的开关频率便存在一定的对应关系; 控制IGBT 的开通与关断的占空比，那么输出电)l 一的有效值也和IGBT 的开关占空比便存在一定的对应关系，因此产生精确控制IGBT 开关驱动信号SPWM 便成为了本文研究的重点。

3.2正弦脉宽调制SPWM 的原理与实现

在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。如图4.2所示，将半个周期正弦波波形分成N 等分，就可以把正弦波看成由N 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦部分的面积(冲量) 相等，就得到图中相应的脉冲序列，这就是PWM 波形。可以看出，各脉冲的宽度使按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM 波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形，也称为 SPWM波形。在SPWM 波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变各脉冲宽度即可。

3.3 SPWM波的产生原理

SPWM 波的生成方法有很多，自然生成法和规则采样生成法只是其中用的比较普遍的二种方法。

3.3.1自然法产生SPWM 波

图3-2 自然产生SPWM 波的原理

自然法生成SPWM 波又称模拟电路法生成SPWM 波，通常用模拟比较器比较生成SPWM 波，如果用信号波正弦作为比较器的同相端输入信号，三角载波作为比较器的反相端输入

信号，便实现了自然法生成SPWM 波，如图3-2所示，比较器输出经死区形成电路即可生成带死区的SPWM 波。这种方法是所有生成SPWM 波中方法最精确的一种，其它方法都是与它近似等效，存在一定的等效误差。不过模拟电路存在一定的温漂。

3.3.2规则采样法生成SPWM 波

规则采样法是从自然采样法演变而来的，它由经过采样的正弦波(实际上是阶梯波) 与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。这种方法只在三角波的顶点或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波，其原理如图

3-3:

图3-3 采样产生SPWM 波的原理

设三角形的幅值是1，由△ABC 和△EDA 相似，相似三角形对应边成比例，可得:AB/BC=ED/DA。代人数据得：

1+M sin ωt 2= （3.4） T c t 2

22

所以矩形波开通时间:

1t 2=(1+M sin ωt ) T c （3.5） 2

M —调制度(正弦波与三角波幅值比)

T —采样三角波周期

在生成SPWM 波形时，通常有查表和实时计算两种方法，实际使用时往往是两种方法的结合，即先离线进行必要的计算存入内存，运行时再进行较为简单的在线计算，这样既可保证快速性，又不会占用大量的内存。规则采样法通常事先存入正弦函数表，运行时根

据要求频率即可算出开关器件的导通时间(详见公式(3.5))。这种方法的计算量很小且波形的幅值和频率都是可以连续变化的。

由规则采样法的原理可知它是用近似的阶梯波来代替正弦波与三角波进行比较，因此它与自然法生成SPWM 相比精度有所降低，但由于其计算公式简单，计算量较小，可大大提高CPU 运行速度，提高程序效率，因此在用DSP 对逆变电源进行数字化时就是用规则采样法来产生SPWM 波得。

将公式(3.5)离散化得:

T 2=(M sin(2π

TC ——载波周期

I ——第I 个SPWM 波

N ——采样的总个数

由(3.6)可知，当确立了TC ，I ，N 之后，每一个SPWM 脉冲的开通时间都可以由公式计算出，例如如果要求实现的SPWM 波为400HZ ，若产生25.6KHz 的三角载波，那么在一个正弦周期内只需要对正弦波采样64次，就能得到频率为400Hz 的SPWM 波。也就是说:标准正弦波一个周期最低只需离散成64个点，当DSP 内部25.6KHZ 三角载波中断产生时把这64个点的值代入(3.6)式计算出脉冲宽度，然后用所得的脉冲宽度值在三角波中断中更新比较寄存器的值就可得到400Hz 的SPWM 波。 1)+1)Tc /2 (3.6) N

3.4 SA4828芯片产生SPWM 波

3.4.1 SA4828的特点

逆变器中开关管的开关时间要由调制波与载波的交点来确定。在调制波的频率、幅值和载波的频率这三个参数中，不论哪一个发生变化，都将使得载波与调制波的交点发生变化。因此，在每一次变频调整时，都要重新计算交点的坐标。这是一组超越方程，单片机的计算能力和速度显然难以胜任。过去最常用的办法是，把各种频率和电压对应的交点坐标事先计算好，用表格的形式存放起来，使用时通过查表来调用。这样将占用大量的存储器和CPU 的资源，使其无法发挥更好的作用。

近年来一些厂家研制出了专门用于生成三相SPWM 波控制信号的大规模集成电路芯片，如SA4828等。采用这样的集成电路芯片，可以大大地减轻CPU 的负担，仅当需要改变频率和电压时，单片机才去干预SA4828，使控制系统可以空出更多的时间用于检测和监控。

A4828是英国MITEL 公司研制出的一种专门用于三相SPWM 信号发生和控制的集成电路芯片。它采用28引脚，分DIP 和SOIC 两种封装。它可以和大部分的单片机连接，也可以单独使用。芯片的主要特性是：全数字控制；兼容Intel 和Motorola 系列的单片机；载波频率最高可达24kHz ；输出调制波频率范围为0~4kHz；16位调速分辨率；8位调压分辨率；内部ROM 固化3种可选波形；可设定死区时间和删除最小脉宽；可实现正反转控制；可以单独设定各相的输出电压幅值以适应不平衡负载；有看门狗定时器。

3.4.2 SA4828的管脚功能

SA4828的引脚如图3-4所示，大体可以分为三类信号： （1）与单片机的接口信号

AD O ~AD7 、WR 、RD 、ALE 可直接与地址/数据复用的单片机相连。此时，总线选择信号MUX 接+5V，地址/数据引脚RS 不用

（2）输入信号 CS 片选信号

CLK 时钟信号，最高频率为24.576MHz RESET 复位信号，禁止输出

SET TRIP 关断信号，高电平时可快速关断全部SPWM 信号

（3）输出信号

RT 、YT 、BY 控制三相逆变桥的三个上桥臂开关管

RB 、YB 、BB 控制三相逆变桥的三个下桥臂开关管。

它们是标准的TTL 信号，有12mA 的驱动能力，可直接驱动光耦。

ZPPR 输出调制波的频率 WSS 输出采样波形

TRIP 封锁状态，SET TRIP有效时，该引脚为低电平表明输出已被封锁，可接LED 指示灯。

AD O ~ADRT RB YT YB BT BB ZPPR WSS

TRIP

图3-4 SA4828的引脚图

3.4.3 SA4828芯片的工作原理

SA4828是有28个管脚的三相脉宽调制发生器芯片，采用全数字化方式，将基准正弦波与一个载波三角波比较，在三角波的顶点和底点对正弦波进行采样来得到PWM 波。

对SA4828芯片的控制是通过微处理器接口将数据送人芯片内部两个48位的 寄存器来实现的。这两个寄存器分别是初始化寄存器和控制寄存器，由于微处理器接口的宽度已经被限制为8位，因此数据先被读入6个临时寄存器RO ，R.1，„„R5，然后同时将这些数据送人相应的初始化寄存器或控制寄存器。而数据的传送是通过虚拟寄存器的写操作来实现的。各寄存器的地址如表3-1所示。现将SA4828特殊的原理解释如下图3-5： ①三种不同波形的选择主要是通过传输给初始化寄存器和控制寄存器的命令，来设置三相波形ROM 。它分别为正弦、增强、高效三种波形，使之能应用于各种特殊的场合。 ②“看门狗”电路SA4828在接收单片机发出的命令时，一旦出现问题，总线控制会发出复位“看门狗”信号，使“看门狗”延时关断输出驱动信号。

③八个寄存器单元为了提高频率精度，以及能独立控制三相波形幅值，SA4828增设了八个寄存器单元。地址及说明见表2。

在传输初始化命令时，其中写入R4、R5寄存器，为“看门狗”的延时控制字。当传输控制命令时，写入R0、R1为十六位频率控制字，写入R3、R4、R5分别为三相输出波形幅值控制字。上述设置和调整，均通过地址/数据总线、寄存器单元，存入初始化寄存器和控制寄存器来完成。

图3-5 SA4828内部原理图 表3-1 SA4828各寄存器地址

实际输出PWM 波形的最小脉宽为脉冲取消时间减去失去时间。若幅值控制AC=1，则可三相幅值独立控制选择不同的WS 可以输出正弦型{00}，增强型{01}，高效型{10}PWM波三种可以选择的输出波。

表3-2 三种波形的输出

a. 初始化寄存器

表3-3 初始化寄存器及其功能

初始化寄存器及其功能如表3-3。

实际输出PWM 最脉宽为脉冲取消时间减去失去时间。若幅值控制AC=1，则可三相幅值独立控制，选择不同的WS 可输出正弦波（00），增强型（01）和离散型（10）PWM 波三种可以选择的输出波形。决定它所发出PWM 波情况。系统采用20MH:的晶振，载波频率20K ，脉冲删除时间10脚，脉冲延迟时间5脾，电源工作颇率50HZ 用纯正弦波形，使用三相独立控制幅值，“看门狗”无效，三相波形的幅值均为内部ROM 取样值的8以汤。

通过对虚拟寄存器R14的写操作，就可以将R4-R5设定的初始化数据从人48位初始化寄存器里面。 b. 控制寄存器

控制寄存器及其功能见表3-4。初始化寄存器中，幅值控制位AC=0输出幅值选择字只须写入R 相即可。在控制寄存器中，设定看门狗定时器无效，即WET=0那么在初始化过程中，不须给出看门狗计数器的初值。表3-3存器及其功能。通过对虚拟寄存器R15写操作，就可将R6-R5运行数据传送到48位的控制寄存器中。

表3-4 控制寄及其功能

c. 硬件RSE 复位功能

硬件RSE 复位功能硬件复位后，将执行如下操作:(l)PWM输出为低电平。(2)INH=0输出禁止R=0(内部各寄存器清0)WTF=0看门狗无效，RST=0（3）控制寄存器和初始化寄存器中，其他参数保持不变。

3.4.4 SA4828组成的变频器电路

由SA4828构成的变频调速系统如图2所示。首先由键盘输入给定的转速n O (rpm)，单片机把它换算成变频器将要输出的频率和电压的控制字，写入到SA4828的控制寄存器，启动SA4828。从RT~BB的6个引脚输出相应频率和电压的SPWM 控制信号，经驱动电路隔离后，分别控制智能功率模块IPM 的6个IGBT 的导通与截止，最后在三个输出端上产生

对称的三相SPWM 电压，以驱动交流电动机运转。利用转速编码器可以构成闭环调速系统，提高转速控制的精度。IPM 的故障检测信号接到SA4828的SET TRIP端，一旦IPM 发生过流、过热、短路和欠压等情况，将立即切断SA4828的6路输出信号，使IPM 得以保护。

图3-6 SA4828组成的变频器

3.5 AT89C52单片机对SA4828的控制

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM ），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash 存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

3.5.1AT89C52单片机的介绍

3.5.1.1主要功能特点 1、兼容MCS51指令系统

2、8k 可反复擦写(大于1000次）Flash ROM； 3、32个双向I/O口； 4、256x8bit 内部RAM ；

5、3个16位可编程定时/计数器中断； 6、时钟频率0-24MHz ；

7、2个串行中断，可编程UART 串行通道； 8、2个外部中断源，共8个中断源； 9、2个读写中断口线，3级加密位；

10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；

11、有PDIP 、PQFP 、TQFP 及PLCC 等几种封装形式，以适应不同产品的需求。 3.5.1.2管脚功能及电压

AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标

准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR 的接收解码及与主板CPU 通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC （40 脚）和VSS （20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（32~39 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR 输入端，10 脚和11脚定义为I2C 总线控制端口，分别连接N1的SDAS （18脚）和SCLS （19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 3.5.1.3单片机的编程

AT89C52单片机内部有8k 字节的Flash PEROM，这个Flash 存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容

均为FFH ），用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电压（+12V）或低电（Vcc ）的允许编程信号。低电压编程模

式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM 编程器兼容。 AT89C52 单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的 签名字节获得该信息。

AT89C52 的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的PEROM 程序存储器

写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。 AT89C52 编程方法如下：

1． 在地址线上加上要编程单元的地址信号。 2． 在数据线上加上要写入的数据字节。

3． 激活相应的控制信号。

4． 在高电压编程方式时，将EA/Vpp 端加上+12V 编程电压。

5． 每对Flash 存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG 编程脉冲。每个字节写入周期

是自身定时的，通常约为1.5ms 。重复1—5 步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。

3.5.2逆变器的控制电路构成

逆变单元主控电路的硬件原理如图2所示。

由图3-7可见，SA4828的外围电路非常简单，基本不需增加外围电路，只需与AT39C52对应直接相连，通过软件编程，就能输出幅值、频率可调的SPWM 波。在图2中，RTHT 、YTHT 、BTHT 、RTHB 、YTHB 、BTHB6路信号是由SA4828产生的PWM 信号，这些信号经过光电藕合器隔离驱动放大后输人大功率集成开关管模块(IGBT)单元，驱动开关管的开关动作;sSA4828的外部时钟的频率为20MHZ; 外部RST 端拉高，即使用软复位，以便进行波形补偿;MUX 端接高电平，是总线为地址数据复用方式引脚SETTHIP 设置可以灵活地通过硬件或软件来控制PWM 波的快速封锁或输出，仅在改变运行状态时才须CPU 介人，大大提高了徽处理器的工作效率，SETTHIP 为脉冲封锁输人信号，当逆变器发生紧急故障时，可直接通过该引脚的低电平翰人，封锁六路PW 初信号，而不必通过CPU ，这样可以更有效地保护逆变单元，当输出信号封锁后，TRIP 端会变低输出，以通知CPU 当前SA4828的状态为被封锁，待故障清除后.CPU 会重新启动SA4828输出; 电路中的电容C1008起滤除干扰的作用。

图3-7 三相逆变控制器原理图

第四章 逆变电路控制器的程序设计

4.1正弦波的设计与实现

4.1.1正弦波实现的结构图

SPWM 产生器引脚输出信号, 经过滤波后可以变成模拟信号, 但为了得到较高精度的输

出, 在滤波前先通过缓冲器, 使SPWM 信号的振幅变化在要求的范围内

4.1.2波形图

图4-1 正弦波实现的结构图

图4-2 波形图

4.2控制器软件设计

软件程序设计是整个逆变器控制的核心，它决定逆变器的输出特性，如电压、频率范围、稳度、谐波含量、可靠性及保护功能的完善等。

对SA4828芯片的控制是通过微处理器接口将相应的参数送入芯片内部的2个48位的寄存器R14,R15来实现的, 它们是初始化寄存器和控制寄存器。数据先被读入一系列临时寄存器R0~R5中, 然后通过一条虚拟的写操作将数据传送至相应的R14,R15寄存器。单片机先将SA4828复位, 向其传送初始化参数和控制参数后,SA4828即可以输出SPWM 波, 逆变器随后处于工作状态。同时单片机不断查询输出状态, 以便随时调整SPWM 输出特性。对SA4828芯片的控制是通过微处理器接口将相应的参数送入芯片内部的两个48位初始化寄存器R14和控制寄存器R15来实现的。数据先被读入临时寄存器R0~R5中, 然后通过一条虚拟的写操作将数据传送至相应的R14,R15寄存器。只要系统正常工作, 看门狗定时器就不断被更新, 以防止其溢出而中断SPWM 输出。

主程序中，SA4828初始化命令和控制命令的参数计算及设置，主要用于确定频率调节范围

围、死区时间、输出电压幅值、中心频率等。在写初始化命令时只有在RST 有效，PWM 输出被禁止时才能被写人。值得注意的是，SA838虚拟寄存器R3的写操作结果是将R0、R1、R2中的数据写人了控制寄存器。虚拟寄存器R4的写操作结果是将R0、R1、R2中的数据写人了初始化寄存器。因为R3、R4都不是实际的寄存器，所以写入任何数据都没关系，但一定要执行写操作，目的是完成写入初始化寄存器和控制寄存器的工作。

逆变器控制电路主程序如图4-3。

4-3 SA4828产生SPWM 信号流程图

4-4逆变器控制系统的主程序流程图

4-4中断函数程序流程图

单片机在初始化程序中完成对单片机、SA4828以及其他可编程器件的初始化, 接着对市电进行检测, 如果市电不正常, 则启动逆变器工作, 通过控制将开关元件切换至逆变器输出。并将输入状态存入控制寄存器, 显示数据, 如果输出电压或保护等发生改变, 则报警输出以采取措施使系统正常运行

第五章 结束语

5.1本文的工作总结

本文介绍了一种三相逆变电路控制的设计方法，采用SPWM 专用芯片SA4828后，使得系统结构简单，控制精度高，可靠性强，同时参数修改容易、编程任务少，单片机的处理任务大为减轻。并且，由于可通过SA4828对三相输出电压分别进行调整，可在存在三相不平衡负载的场合中得到应用。

本文设计的三相逆变电源采用性能优越的集成芯片SA4828产生SPWM 信号, 节省了大量的硬件开销和软件设计调试时间, 系统可靠性高。SPWM 波的产生为全数字化, 具有较高的精度和温度稳定性, 调节方便。

5.2展望

逆变器采用89C51单片机及单相PWM 集成电路SA838后，控制电路大为简化、器件减少，结构紧凑、降低了成本，提高了可靠性。通过调试运行取得了比较理想的结果。相信SA4828系列的PWM 波形产生器在变频领域有较好的应用前景。

本文提出并初步实现了一种利用太阳能供能的无线传感器网络节点电源系统。实验结果表明本设计的电源系统由于具有补充能量的途径, 并结合能量管理、能量转移技术提高了能量利用效率, 从而有效地延长了节点的生存周期。本设计可以应用在户外能被阳光照射的节点上, 如精细农业中布置在田间的节点，环境监测中布于野外的节点等。

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致谢

首先要感谢的是我的论文辅导李忠老师，李老师对我在论文撰写期间的关心、帮助和指导令我得以顺利的完成任务。在这四个月论文撰写期间，李老师严谨的治学态度、渊博的专业知识以及忘我的工作热情对我的一生都有着非常深远的影响，激励我不断努力学习和工作，向着更高的人生目标奋斗! 李老师在学术上给予我很多指导和帮助，为我们创造良好的学习氛围，正是在这种环境下我才能够顺利完成学位论文，在此向李老师表示最衷心的感谢。

在论文撰写期间，我要感谢参与我开题答辩的各位老师，他们为我论文的完成提出了许多宝贵的建议。与此同时，我还要感谢帮助过我的同学师弟师妹们，他们给我提出了许多宝贵的意见，为实验室创造了良好的氛围，激发了我写作的灵感。在此表示谢意。

本科生阶段的学习生活即将结束，感谢家人多年对我的默默支持，他们是我背后最坚强的后盾，作者将终生难忘。最后，向所有评审论文的老师、教授们一并致以诚挚的谢意，感谢他们托开繁忙的事务，为我审阅论文，谢谢!