【文章內容簡介】 但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響 愈加嚴重，對器件造成更大的電應力 (表現為過電壓、過電流毛刺 )。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊 (ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，以達到優(yōu)化完美的境地。 (3)數字化 在傳統(tǒng)功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要，數字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點 :便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸 變失真、減小雜散信號的干擾 (提高抗干擾能力 )、便于軟件包調試和遙感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。 (4)綠色化 電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義 :首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染 。其次這些電源不能 (或少 )對電網產生污染，國際電工委員會 (IEC)對此制定了一系列標準，如 IEC555， IEC9l7， IECI000 等。事實上，許多功率電子節(jié)電設備，往往會變成對電網的污染源，向電網注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因子下降，使電網電壓禍合許多 毛刺尖峰，甚至出現缺角和畸變。 20 世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因子的方法。這些為 21 世紀批量生產各種綠色電源產品奠定了基礎。 曾俊華：基于單片機控制的三相數字中頻電源的設計 4 2 脈寬調制 PWM 整流技術原理 在采樣控制理論中有一個重要的結論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖 21a、 b、 c所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖 21a為矩形脈沖，圖 21b為三角型脈沖，圖 弦半波脈沖，但它們的面積 (即沖量 )都等于 1，那么，當它們分別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時，其輸出響應基本相同。當窄脈沖變?yōu)閳D 21d的單位脈沖函數咨 (t)時，環(huán)節(jié)的響應即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數。 圖 21形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 上述原理可以稱之為面積等效原理，它是 PWM控制技術的重要理論基礎。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波。把圖 弦半波分成 N等份，就可以把正弦半波看 成是由 N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于等于兀 /N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數量的等幅而不是等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積 (沖量 )相等，就得到圖 22所示的脈沖序列。這就是 PWM波形。可以看出，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據面積等效原理， PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到 PWM波形。像 這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM波形，也稱 SPWM(Sinusoidal PWM)波形。 江西理工大學應用科學學院畢業(yè)設計 5 圖 22用 PWM波代替正弦半波 PWM控制分為單極性 PWM控制和雙極性 PWM控制兩大類 :在單極性 PWM電路中，輸出電壓只能在 0到 +V或 0到 — V之間變化，沒有極性的交替，而雙極性的電路中，輸出電壓的變化是在 +V到一 V之間變化，變化幅度比單極性大一倍。單極性開關電壓電路與雙極性開關電壓電路相比，優(yōu)點是輸出諧波分量小，易于濾除。另外，在采用單片機等數字控制方式時，由于雙極性 PWM波控制電路中，同一相上下 兩個臂的驅動信號是互補的，為了防止上下兩個臂直通而造成短路，在給一個臂施加關斷信號后，要延遲一段時間，才給另一個臂施加導通信號。延遲時間的長短主要由開關器件的開通和關斷時間以及單片機的運行速度共同決定。因此，這必然會帶來更多的諧波，對最終的輸出正弦波的濾波帶來影響。而在單極性 PWM波的控制電路中，只在半周期結束時，為了防止直通而需要一定的延遲時間，這種影響就小得多，更利于輸出正弦波的濾波。 SPWM 的原理 SPWM 的概念在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的 寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調制。 SPWM 脈沖系列中，各脈沖的寬度以及相互間的間隔寬度是由正弦波 (基準波或調制波 )和等腰三角波 (載波 )的交點來決定的。具體方法如后所述。 曾俊華：基于單片機控制的三相數字中頻電源的設計 6 單極性 SPWM 法 (1)調制波和載波：曲線 ① 是正弦調制波，其周期決定于需要的調頻比kf，振幅值決定于 ku,曲線 ② 是采用等腰三角波的載波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于 ku=1時正弦調制波的振 幅值，每半周期內所有三角波的極性均相同 (即單極性 )。調制波和載波的交點，決定了 SPWM脈沖系列的寬度和脈沖音的間隔寬度，每半周期內的脈沖系列也是單極性的。 (2)單極性調制的工作特點：每半個周期內，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內，兩個器件的工況正好相反，流經負載 ZL的便是正、負交替的交變電流。 雙極性 SPWM 法 (1)調制波和載波： 調制波仍為正弦波，其周期決定于 kf，振幅決定于 ku,中曲線 ① ，載波為雙極性的等腰三角波，其周期 決定于載波頻率，振幅不變，與 ku=1 時正弦波的振幅值相等。調制波與載波的交點決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，但是，由相電壓合成為線電壓 (uab=uaub。ubc=ubuc。uca=ucua)時，所得到的線電壓脈沖系列卻是單極性的。 (2)雙極性調制的工作特點：逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導通和關斷，毫不停息，而流過負載 ZL 的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。 實施 SPWM 的基本要求 (1)必須實時地計算調制波 (正弦波 )和載波 (三角波 )的所有交點的時間坐標，根據計算結果，有序地向逆變橋中各逆變器件發(fā)出 “通 ”和 “斷 ”的動作指令。 (2)調節(jié)頻率時，一方面，調制波與載波的周期要同時改變 (改變的規(guī)律本文不作介紹 )；另一方面，調制波的振幅要隨頻率而變，而載波的振幅則不變，所以，每次調節(jié)后，所膠點的時間坐標都 必須重新計算。 要滿足上述要求，只有在計算機技術取得長足進步的 20 世紀 80 年代才有可能，同時，又由于大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，迄今，已經有能夠產生滿足要求的 SPWM 波形的專用集成電路了。 江西理工大學應用科學學院畢業(yè)設計 7 3 元器件介紹 AT89C51 單片機簡介 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100 次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 管腳說明 AT89C51 單片機引腳如圖 31 圖 31 AT89C51單片機引腳圖 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據 /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為 原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，曾俊華：基于單片機控制的三相數字中頻電源的設計 8 輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因 此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電 平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數據存儲器寫選通） /RD（外部數據存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器 件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在 外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現。 /EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器 的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 主要特性 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數據保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 江西理工大學應用科學學院畢業(yè)設計 9 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內部 RAM 32可編程 I/O 線 兩個 16位定時器 /計數器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器 。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件， XTAL2應不接。有 余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫