【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 但縮小了整機(jī)的體積，更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)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(yán)重，對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力 (表現(xiàn)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(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，以達(dá)到優(yōu)化完美的境地。 (3)數(shù)字化 在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中，控制部分是按模擬信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)和工作的。在六、七十年代，電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。但是現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來(lái)越重要，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn) :便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸 變失真、減小雜散信號(hào)的干擾 (提高抗干擾能力 )、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào)，也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)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(duì)環(huán)境的污染 。其次這些電源不能 (或少 )對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)對(duì)此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，如 IEC555， IEC9l7， IECI000 等。事實(shí)上，許多功率電子節(jié)電設(shè)備，往往會(huì)變成對(duì)電網(wǎng)的污染源，向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流，使總功率因子下降，使電網(wǎng)電壓禍合許多 毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。 20 世紀(jì)末，各種有源濾波器和有源補(bǔ)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(jì)批量生產(chǎn)各種綠色電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。 曾俊華：基于單片機(jī)控制的三相數(shù)字中頻電源的設(shè)計(jì) 4 2 脈寬調(diào)制 PWM 整流技術(shù)原理 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)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(shí)，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(yīng)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(gè)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(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D 21d的單位脈沖函數(shù)咨 (t)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。 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(shù)的重要理論基礎(chǔ)。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)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(gè)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(shù)量的等幅而不是等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)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?？梢钥闯觯髅}沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理， PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)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(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(guān)電壓電路與雙極性開關(guān)電壓電路相比，優(yōu)點(diǎn)是輸出諧波分量小，易于濾除。另外，在采用單片機(jī)等數(shù)字控制方式時(shí)，由于雙極性 PWM波控制電路中，同一相上下 兩個(gè)臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的，為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，在給一個(gè)臂施加關(guān)斷信號(hào)后，要延遲一段時(shí)間，才給另一個(gè)臂施加導(dǎo)通信號(hào)。延遲時(shí)間的長(zhǎng)短主要由開關(guān)器件的開通和關(guān)斷時(shí)間以及單片機(jī)的運(yùn)行速度共同決定。因此，這必然會(huì)帶來(lái)更多的諧波，對(duì)最終的輸出正弦波的濾波帶來(lái)影響。而在單極性 PWM波的控制電路中，只在半周期結(jié)束時(shí)，為了防止直通而需要一定的延遲時(shí)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(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來(lái)安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的 寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當(dāng)正弦值較小時(shí)，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(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)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(zhǔn)波或調(diào)制波 )和等腰三角波 (載波 )的交點(diǎn)來(lái)決定的。具體方法如后所述。 曾俊華：基于單片機(jī)控制的三相數(shù)字中頻電源的設(shè)計(jì) 6 單極性 SPWM 法 (1)調(diào)制波和載波：曲線 ① 是正弦調(diào)制波，其周期決定于需要的調(diào)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(shí)正弦調(diào)制波的振 幅值，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同 (即單極性 )。調(diào)制波和載波的交點(diǎn)，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(nèi)的脈沖系列也是單極性的。 (2)單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)通時(shí)斷地工作，另一個(gè)完全截止；而在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工況正好相反，流經(jīng)負(fù)載 ZL的便是正、負(fù)交替的交變電流。 雙極性 SPWM 法 (1)調(diào)制波和載波： 調(diào)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(shí)正弦波的振幅值相等。調(diào)制波與載波的交點(diǎn)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(shí)，所得到的線電壓脈沖系列卻是單極性的。 (2)雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，毫不停息，而流過負(fù)載 ZL 的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。 實(shí)施 SPWM 的基本要求 (1)必須實(shí)時(shí)地計(jì)算調(diào)制波 (正弦波 )和載波 (三角波 )的所有交點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，有序地向逆變橋中各逆變器件發(fā)出 “通 ”和 “斷 ”的動(dòng)作指令。 (2)調(diào)節(jié)頻率時(shí)，一方面，調(diào)制波與載波的周期要同時(shí)改變 (改變的規(guī)律本文不作介紹 )；另一方面，調(diào)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(diào)節(jié)后，所膠點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)都 必須重新計(jì)算。 要滿足上述要求，只有在計(jì)算機(jī)技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步的 20 世紀(jì) 80 年代才有可能，同時(shí)，又由于大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，迄今，已經(jīng)有能夠產(chǎn)生滿足要求的 SPWM 波形的專用集成電路了。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 3 元器件介紹 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(jī)。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 管腳說明 AT89C51 單片機(jī)引腳如圖 31 圖 31 AT89C51單片機(jī)引腳圖 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為 原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)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(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)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(jī)控制的三相數(shù)字中頻電源的設(shè)計(jì) 8 輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因 此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)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(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器 件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， 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(wú)效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)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(chǔ)器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32可編程 I/O 線 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)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(nèi)振蕩器 。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2應(yīng)不接。有 余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)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(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫