【正文】 SPWM 專用芯片電路進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，在此過程中用到了性能可靠的可編程單片微型機(jī) 80C51進(jìn)行各種控制以及保護(hù)的輸出，提高了電路系統(tǒng)的可靠性。 4）對(duì)文章 的總結(jié)。 推挽式逆變電路 V T 1V T 2U** 圖 推挽式結(jié)構(gòu)電路 pushpull circuit structure 圖 推挽電路波形 pushpull circuit waveform 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 圖 推挽電路負(fù)載為感性負(fù)載 pushpull circuit load of inductive load 圖 ，該電路有兩只功率開關(guān)器件和一個(gè)初級(jí)帶有中心抽頭的升壓變壓器組成，若交流電負(fù)載為純阻性負(fù)債，當(dāng) t1tt2 時(shí)， VT1功率管加上驅(qū)動(dòng)信號(hào)后導(dǎo)通， VT2截止，變壓器輸出端感應(yīng)出正電壓；當(dāng) t3tt4 時(shí)， VT2功率管加上驅(qū)動(dòng)信號(hào)后導(dǎo)通， VT1截止，變壓器輸出端輸出負(fù)電壓波形圖如 22所示，若負(fù)載為感性負(fù)載，則變壓器內(nèi)的電流波形連 續(xù)，輸出電壓，電流如圖 ，推挽逆變器的輸出只有兩種狀態(tài) +U和 — U兩種狀態(tài)，實(shí)際上是雙極性調(diào)制，通過調(diào)節(jié) VT1和VT2的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間， Q1和 Q4仍然導(dǎo)通。輸出電壓 U總可 得到電源電壓和零兩種電平。 三種電路的比較 推挽式方波逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，另個(gè)功率管可以公地驅(qū)動(dòng)，但功率管承受山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 開關(guān)電壓為二倍的直流電壓，適合應(yīng)用于直流母線電壓較低的場(chǎng)合。其輸出電壓 U的波形與半橋電路的波形形狀相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍。鑒于上述分析，本文 逆變電路設(shè)計(jì)采用全橋逆變電路。由于蓄電池直流電壓選擇為 220V,則放電時(shí)的最低工作電壓為 220v,考慮采用 SPWM控制時(shí)的調(diào)制深度及基波含量 ,變壓器原邊電壓選擇為 130V,副邊電壓選擇為 22OV,所以變壓器原邊額定電為 39A,其峰值電流為 55A,考慮負(fù)載類型及允許的過載倍數(shù) , IGBT 的額定電流值按 一 3 倍額定選擇 ,我們選用電壓電流等級(jí)為 600V/150A 的日本三菱公司的 CM150DY一 12Ⅱ型 IGBT。續(xù)流二極管并聯(lián)在線兩端，當(dāng)流過線圈中的電流消失時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過二極管和線圈構(gòu)成的回路做功而消耗掉。 （ 3）熔斷器的作用：熔斷器的作用： 熔斷器其實(shí)就是一種短路保護(hù)器，廣泛用于配 電系統(tǒng)喝控制系統(tǒng)，主要進(jìn)行短路保護(hù)或嚴(yán)重過載保護(hù)。 （ 4） 過電流保護(hù)的接線方式是指保護(hù)中 電流互感器 與 繼電器 的連接方式。 圖 過流保護(hù)電路裝置圖 overcurrent protection circuit devices 濾波電路的設(shè)計(jì)以及參數(shù)選擇 LC 濾波電路的設(shè)計(jì)步驟 一般而言，逆變輸出的 LC濾波器設(shè)計(jì)的步驟大致如下： （ 1）明確輸出所需要的最高輸出頻率與不需要的最低次高頻諧波頻率，在二者之間明確一個(gè)頻率可作為濾波轉(zhuǎn)折頻率，這一頻率必須在最大設(shè)計(jì)負(fù)載下，基本不影響前山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 者幅度，相位，盡可能衰減后者，（衰減倍數(shù)可以按照濾波后單次諧波含量等要求設(shè)計(jì)），一般可以將轉(zhuǎn)折頻率選取在需要輸出的最高頻率和最低諧波頻率的對(duì)數(shù)中點(diǎn)，還可以依據(jù)應(yīng)用要求（如濾波器尺寸）適當(dāng)偏移這一頻率。在實(shí)際應(yīng)用中，LC濾波器往往考慮諸如全橋逆變電路共模干擾抑制等要求。逆變器對(duì)輸出濾波的要求呈低通特性，盡可能不影響需要的頻率成分的幅值，相位。所以，為了活的好的濾波性能，一般需要濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)大于輸出基波頻率，同時(shí)遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率。其頻率特性介于 MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十 kHz頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。在過流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過高的電流變化率會(huì)引起過電壓，為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因而掌握好 IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性是十分必要的。這一點(diǎn)和 MOSFET類似。當(dāng) Uce增大到一定的值，Ic 不再跟隨 Uce 的變化而基本保持恒定，該區(qū)域稱為恒流飽和區(qū)；如果繼續(xù)增大 Uce的值，使電壓超過了期間所承受能力。從柵極 發(fā)射極之間電壓 Uce上升到穩(wěn)態(tài)電壓值的百分之十到集電極電流上升到穩(wěn)態(tài)值電流的百分之十對(duì)應(yīng)的時(shí) 間稱為開通延遲時(shí)間 Td。 欲使 IGBT 關(guān)斷，需要驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的電壓下降到零或者負(fù)值，但由于 GE 之間輸入電容的作用， GE 之間的電壓 Uce 不能突跳而是逐漸下降，下降到一定程度時(shí)集電極電流才開始下降。但是期間的各個(gè)電極之間都存在這電容，從驅(qū)動(dòng)的輸入端看相當(dāng)于一個(gè)電容網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電壓的變化將影響電容充放電電流。 單管驅(qū)動(dòng)電路 圖 ， Us為驅(qū)動(dòng)信號(hào)源。 Us為 0時(shí)晶體管 VT2 導(dǎo)通 VT1截止，MOSFET的輸入電容存儲(chǔ)的電荷通過 VT2迅速釋放，使 MOSFET關(guān)斷。晶體管 VT 導(dǎo)通時(shí)脈沖變壓器初級(jí)線圈中的電流上升，使得次級(jí)線圈感應(yīng)出上正下負(fù)的電壓。該二極管的導(dǎo)通壓降很小，會(huì)使線圈電流經(jīng)過很長的時(shí)間才能衰減到零。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 V C C +V D 2V D 1V TR 1R 2M O S F E T 圖 簡(jiǎn)單的磁耦合驅(qū)動(dòng)電路 simple magic coupling driving circuit 場(chǎng)控元器件的柵極 保護(hù) 一般來說場(chǎng)控元器件的柵極有一層氧化物絕緣層，所以柵極 源極之間有很高的輸入電阻，而這一絕緣層有很是脆弱的，只能承受幾十伏的電壓。（ 3）在柵極和源極之間并聯(lián)穩(wěn)壓二極管支路，該支路有兩個(gè)反相串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管組成，其穩(wěn)壓值分 別限制柵 源之間的正向電壓和反相電壓。尤其是上管驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源路數(shù)目較其他 IC 驅(qū)動(dòng)大大減小。 VS（引腳 5）高端浮置電源偏移電壓 VB（引腳 6）高端浮置電源電壓 HU（引腳 7）高端輸出 VDD（引腳 9）邏輯電源電壓 HIV（引腳 10）邏輯高端輸入 SD（引腳 11）關(guān)斷 LIN（引腳 12）邏輯低端輸入 VSS（引腳 13）邏輯電路地電位端，其值可以為 0V IR2110的特點(diǎn)： （ 1）具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道。 （ 5）工作頻率高，可達(dá) 500KHz。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目，即一組電源既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上下端的控制。由于 LIN和 HIV 是一對(duì)互補(bǔ)輸入信號(hào)，所以此時(shí) LIN 為低電平， VM3關(guān)斷， VM4 導(dǎo)通，這時(shí)聚集在 S2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過 R2迅速對(duì)外放電，由于死區(qū)時(shí)間影響使 S2在 S1開通之前迅速關(guān)斷。 孫作瀟：由單片機(jī)控制的單極性的單極性輸出逆變電路 18 IR2110的最大不足是不能產(chǎn)生負(fù)偏壓，如果用于驅(qū)動(dòng)橋式電路，由于密勒效應(yīng)的作用，在開通與關(guān)斷時(shí)刻，集電極與柵極間的電容有充放電電流，容易在柵極上產(chǎn)生干擾。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離， LSTTL/TTL兼容，高速 (典型為 10MBd)， 5mA的極小輸入電流。 C 典型應(yīng)用：高速數(shù)字開關(guān)，馬達(dá)控制系統(tǒng)和 A/D 轉(zhuǎn)換等。 表 1 6N137 真值表 Table 1 6 n137 truth table 6N137 的使用方法 隔離器使用方法如圖 ，假設(shè)輸入端屬于模塊 I，輸出端屬于模塊 II。如果不加限流電阻或阻值很 小， 6N137 仍能工作，但發(fā)光二極管導(dǎo)通電流很大對(duì) Vcc1 有較大沖擊，尤其是數(shù)字波形較陡時(shí)，上升、下降沿的頻譜很寬，會(huì)造成相當(dāng)大的尖峰脈沖噪聲，而通常印刷電路板的分布電感會(huì)使地線吸收不了這種噪聲，其峰 峰值可達(dá) 100mV以上，足以使模擬電路產(chǎn)生自激， A/D不能正常工作。這個(gè)電容可以吸收電源線上的紋波，又 可以減小光電隔離器接受端開關(guān)工作時(shí)對(duì)電源的沖擊。一般可選 ，若后級(jí)是 TTL輸入電路，且只有 1到 2個(gè)負(fù)載，孫作瀟：由單片機(jī)控制的單極性的單極性輸出逆變電路 20 則用 47kΩ或 15kΩ也行。 6 N 1 3 712348765V C C 1I FR FV IV C C 2C 1R LC LV O 圖 6N137 使用方法 6 n137 using method 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 4 控制電路的設(shè)計(jì) 在逆變電源中，主要的控制部分是對(duì)逆變電路中全控型元件開關(guān)的調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)輸出波形的數(shù)字化頻率調(diào)制。 本設(shè)計(jì)的逆變電源是基于 51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制 SPWM 波。沖量即指窄脈沖的面積。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是 PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。可以看出各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦波規(guī)律變化的。要改變等效輸出的正弦波的幅值時(shí)，只要按照同 一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。 二、調(diào)制法是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的 PWM波形。在實(shí)際應(yīng)用中可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 功率開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成 SPWM 波形。下面介紹幾種常用的用軟件生成 SPWM 波形的算法，并分析它們的特點(diǎn)。 2 規(guī)則采樣法 規(guī)則采樣法分為對(duì)稱規(guī)則采樣法和不對(duì)稱規(guī)則采樣法，下面簡(jiǎn)述之。由于在每個(gè)三角波周期中只采樣一次，因此是計(jì)算得到簡(jiǎn)化。 圖 對(duì)稱規(guī)則采樣法生成 SPWM 波 sampling method to generate SPWM wave symmetry rules （ 2）不對(duì)稱規(guī)則采樣法 對(duì)稱規(guī)則采樣法的數(shù)學(xué)模型非常簡(jiǎn)單，但是由于每個(gè)載波周期只采樣一次，因此所形成的階梯波，與正弦波的逼近程度仍存在較大誤差。 圖 不對(duì)稱規(guī)則采樣法生成 SPWM to generate SPWM asymmetry rule sampling method 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 （ 3） 等面積法： 正弦脈寬調(diào)制的基本原理就按面積相等的原則構(gòu)成與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖 波形。 1 異步調(diào)制 載波信號(hào) 和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式即為異步調(diào)制。 2 同步調(diào)制 載波比 N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。 %td為時(shí)間間隔 t=0:td:10。 %三角板函數(shù) F2=10KHZ plot(t,y1,t,y2) %將兩個(gè)函數(shù)同時(shí)顯示 grid MATLAB得到的仿真圖 ： 孫作瀟：由單片機(jī)控制的單極性的單極性輸出逆變電路 26 圖 80C51 單片機(jī)的簡(jiǎn)單介紹 MCS— 51 是 Intel 公司生產(chǎn)的一個(gè)單片機(jī)系列名稱。 CHMOS 工藝既保持了 HMOS 高速度和高密度的特點(diǎn)，還 具有 CMOS 的低功耗的特點(diǎn)。它在硬件結(jié)構(gòu)、指令功能等方面均有獨(dú)到之處，其特點(diǎn)如下： 性價(jià)比高。 控制功 能強(qiáng)。由于單片機(jī)帶有一定數(shù)量的接口電路，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 與通信，單片機(jī)上有并行 I/O接口角兒串聯(lián) I/0 接口，可用于通信接口，如單片機(jī)控制的自動(dòng)呼叫應(yīng)答系統(tǒng)、列車無線通信系統(tǒng)、遙測(cè)遙控系統(tǒng)等。 二、存儲(chǔ)器系統(tǒng) （ 1） 4KB的程序存儲(chǔ)器（ ROM/EPROM/Flash,可外擴(kuò)至 64KB）； （ 2） 128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM，可在外擴(kuò) 64KB）； （ 3）特殊功能寄存器 SFR. 三、 I/O口和其他功能單元 （ 1） 4個(gè)并行 I/O 口； （ 2） 2個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； （ 3） 1個(gè)全雙工異步串行口（ UART）； （ 4）中斷系統(tǒng)（ 5 個(gè)中斷源、 2個(gè)優(yōu)先級(jí)）。 一、方式 0 方式 0 為 13 位計(jì)數(shù)，由 TL0 的低五位和 TH0 的 8 位組成。另外，定時(shí)器的初值還可以采用計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)直接取補(bǔ)法獲得。計(jì)數(shù)初值要分解成 2 個(gè)字山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 節(jié)分別送入 TH0和 TL0（對(duì)于 T1則為 TH1和 TL1）中。TL0 從初值重新進(jìn)行加 1 計(jì)數(shù)。這里就不再詳細(xì)介紹。 根據(jù)正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）的產(chǎn)生原理，設(shè) tUtu m ?sin)( ? ，將正弦函數(shù)一周分為 2p個(gè)等分，即正半周分為 p等分，設(shè)等效矩形幅度為 DU ，脈沖寬度為 m? ，則： ?????? ???? ? ? ppmUUttdUU Dmpm pm mDm ????? ? ? c os)1c os ()(s i n1 )1( （ ） 那么第 m個(gè)時(shí)間段中，矩形脈沖電壓作用時(shí)間 mt? 對(duì)應(yīng)的相位寬度為 m? 。將它列成一個(gè)表格，存放在 ROM（或 RAM）中。正弦波負(fù)半軸周期應(yīng)與此相同。而 SPWM 脈沖列的轉(zhuǎn)換周期等于正弦調(diào)制信號(hào) 的周期。 定時(shí)器初值占用的內(nèi)存容量有一定的計(jì)算方法，精算出來占用的內(nèi)存并不是很