三相正弦波变频电源
摘 要：该系统以80c51单片机为控制核心，基于等面积法，用软件的形式产生spwm波形，为满足不条件的频率要求，可通过…….可调节频率，连续可调，方便快捷。采用光耦隔离驱动由IGBT开关元件控制的三相电压型逆变电路，产生稳定纯净的正弦交流电。另外通过a/d转换反馈到c51进行频率。电压。电流的数码显示。输出频率范围为20Hz～100Hz的三相对称交流电，各相电压有效值之差小于0.5V；当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～3A时，输出线电压有效值保持在36V，误差的绝对值小于5%；达到设计要求。
关键词：单片机 IGBT驱动 三相SPWM逆变 a/d转换
一 系统设计
１.１基本要求
（1）输出频率范围为20Hz～100Hz的三相对称交流电，各相电压有效值之差，各相电压有效值之差小于0.5V；
（2）输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；
（3）当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～3A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于5%；
（4）具有过流保护(输出电流有效值达3.6A时动作)、负载缺相保护及负载不对称保护(三相电流中任意两相电流之差大于0.5A时动作)功能，保护时自动切断输入交流电源。
１.２总体设计方案
１.２.１设计思路
题目要求产生频率可调的三相电源，设计中采用单片机产生的pwm来控制开关器件的开通和关断，从而使三相电压型逆变电路输出三相交流电。通过设置不同的pwm频率和占空比来实现频率可调，再通过a/d转换再输出数码显示。
１.２.２方案论证与比较
１ 三相整流设计方案
方案一 利用三相全控整流，虽目前应用最广泛的是这种整流方式，可精确控制输出电压。但本设计主要任务是变频调压，控制部分主要在逆变电路，为简化电路故不采用此方法。
方案二 直接用不可控的整流二极管整流，得到直流电压，再用升压斩波电路调整电压，也可得到理想的电压，且电路简单。故采用此种整流方法.
2 逆变设计方案
方案一 三相桥式电压型逆变 适用于向多台电动及供电，不可逆拖动，稳速共工作，快速性要求不高场合，晶闸管承受电压低，要求晶闸的关断时间短。
方案二 三相桥式电流型逆变 适用于单机拖动，频繁加减速情况下运行，并经常反向的场合。可适用较长时间关断的普通晶闸管。
由本设计要精确调频，故稳定性要高，采用电压型。
3 驱动电路模块
方案一 采用光耦隔离放大驱动igbt导通和关断，用分立元件构成存在一定误差。
方案二 采用专用的驱动芯片，可实现光耦隔离，电路结构简单误差较低，容易实现。
故选此方案。
4 spwm的产生方案
方案一 利用模拟电路产生，通过三角波发生器和方波发生器，产生的三角波和方波经比较器产生spwm波形，但由于发生器的电路要另外制作，增加了难度，并且精度不高，不易调整。
方案二 由单片机通过软件得到spwm波形，准确可调。故采用此方法。
5 保护电路方案
方案 一 过电压保护
方案二 缓冲保护
方案三 过电流保护
由于本题要求控制电流，故只能选方案三。
１.２.３系统组成
经过方案比较论证最终确定系统组成框图如下，
SHAPE \* MERGEFORMAT
其中光电隔离放大可用专用芯片也可用分立元器件搭建-，视情况而定。a/d转换用专用芯片ad574，经单片机转换成数码显示。用键盘操作改变频率和占空比。
二 单元电路设计
２.１整流斩波电路的设计
采用cuke斩波，因为其输入电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入输出进行滤波。设计如下
２.３逆变电路的设计
由以上论证采用电压型逆变
基本工作方式是180度导电方式，即每个桥臂的导电角度是180度，同一相上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120度。这样在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通，可能是上面一个下面两个臂，也可能是下面一个上面两个臂。
2.4控制电路的设计
2.4.1 光电耦合隔离放大
用分立元件搭建的驱动电路
前端采用快速放大集成芯片作为从单片机出来的第一级放大，后置放大采用一类双电源对成互补放大驱动开关元件。当无输入信号时高速放大器输出负电平，v3导通输出负驱动电压。当有输入信号时高速放大器输出正电平，v2导通输出正驱动电压。
四 软件设计
４.１ a/d转换和数码显示
A/D转换器大致有三类:一是双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性好，价格便宜，但速度慢;二是逐次逼近法A/D转换器，精度，速度，价格适中;三是并行A/D转换器，速度快，价格也昂贵。
这里采用12位的ad574，对输出交流频率采样，显示。
本系统编程部分工作采用C51语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制和LED显示等部分的设计。
单片机资源分配如下表：
P0
显示模块接口
外部中断0
（P3.2）
键盘中断
P1
键盘模块接口
P2.0/P2.1
PWM电机驱动接口
内部定时器0
系统时钟
4.2 pwm的等面积法原理
理论基础：
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。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
面积等效原理：
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形
软件的实现：
1.首先应根据实际的情况，确定需要输出的PWM频率范围， 然后根据需要PWM的频率范围确定ATmega128定时/计数器的PWM工作方式。AVR定时/计数器的PWM模式可以分成快速PWM和频率（相位）调整PWM两大类。
2.快速PWM可以的到比较高频率的PWM输出，但占空比的调节精度稍微差一些。此时计数器仅工作在单程正向计数方式，计数器的上限值决定PWM的频率，而比较匹配寄存器的值决定了占空比的大小。PWM频率的计算公式为：
PWM频率 = 系统时钟频率/（分频系数*（1+计数器上限值））
3.相位调整PWM模式适合要求输出PWM频率较低，但频率固定，占空比调节精度要求高的应用。当调整占空比时，PWM的相位也相应的跟着变化（Phase Correct）。
4.频率和相位调整PWM模式适合要求输出PWM频率较低，输出频率需要变化，占空比调节精度要求高的应用。此时应注意：不仅调整占空比时，PWM的相位会相应的跟着变化；而一但改变计数器上限值，即改变PWM的输出频率时，会使PWM的占空比和相位都相应的跟着变化（Phase and Frequency Correct）。
5.在PWM方式中，计数器的上限值有固定的0xFF（8位T/C）；0xFF、0x1FF、0x3FF（16位T/C）。或由用户设定的0x0000-0xFFFF，设定值在16位T/C的ICP或OCRA寄存器中。而比较匹配寄存器的值与计数器上限值之比即为占空比。
首先按照下面的公式建立一个正弦波样本表，样本表将一个正弦波周期分为128个点，每点按7位量化（127对应最高幅值Vcc/2）：
f(x) = 64 + 63 * sin(2πx/180) x∈[0…127]
五 系统测试
５.１测试使用仪器
５.２指标测试和测试结果
略
六 结束语和参考文献
结束语
本设计在硬件上采用了基于PWM技术控制的三相桥式电压型逆变电路，完成了题目的基本部分的全部要求发挥部分的部分要求，达到了设计要求。个别指标由于时间和条件的限制只完成相应的软件和硬件设计，整体调试还未能全部完成。
参考文献
[1]:周尘.单片机C语言轻松入门.北京航空航一大学出版社.2006
[2]:康华光,陈大钦编.电子技术基本.高等教育出版社.2004
[3]:周润景.张丽娜.基于PROTEUSR的电路及单片机系统设计与仿真.2006
[4]: http://www.jldz08.cn/0606/2711houb.htm 杰龙电子 单片机毫欧表
[5]: http://www.ednchina.com/blog/user_default.aspx?u=asyun&page=3
[6]西安交通大学 电力电子技术
附录１ 元件明细表
隔离变压器(36伏输出).
1个
整流二极管.
12个
绝缘栅极晶体管
7个
稳压二极管
14个
R.L.C.
34个.2个.11个
保险丝
3个
光耦隔离
7个
运算放大器
7个
晶体管.
14个
51单片机
7个
A/D574.
1个
74LS373
1个
74LS00
1个
附录２ 程序清单
SHAPE \* MERGEFORMAT
3.1.3 程序
#include
sbit P10=P1^0;
sbit P11=P1^1;
unsigned char i, j=2;
unsignedcharlcode[]= { 64,67,70,73,76,79,82,85,88,91,94,96,99,102,104,106,109,111,113,115,117,118,120,121,123,124,125,126,126,127,127,127,127,127,127,12,7,126,126,125,124,123,121,120,118,117,115,113,111,109,106,104,102,99,96,94,91,88,85,82,79,76,73,70,67,64,60,57,54,51,48, 45,42,39,36,33,31,28,25,23,21,18,16,14,12,10,9
};
unsigned char flag,symbol,sign;
void spwm(void) interrupt 1 using 0
{ i+=j;//20HZ采样点为20//
TH0=0xff;
TL0=lcode[i];
P10=~P10;
if(i>85) i-=85;
}
void main(void)
{ TMOD=0x01;
ET0=1;
EA=1;
TH0=255;
TL0=lcode[19];
TR0=1;
}
void zhongduan(void)interrupt 0 using 1
{ EA=0;
j--;
if(j
EA=1;}
void jia(void) interrupt 2 using 2
{ EA=0;
if(j
if(j>20) j=20;
EA=1;}
附录３ 印刷板图
（主电路）