【正文】 壓諧波的分布和抑制諧波。根據(jù)形成PWM波原理的不同，可以分為以下幾種：矩形波PWM、正弦波SPWM、空間相量PWM(SVM)、特定諧波消除PWM、電流滯環(huán)PWM等。SPWM的全稱是Sine Pulse Width Modulation，意思是正弦脈沖寬度調(diào)制 [1]，簡稱為SPWM,是調(diào)制波為正弦波、載波為三角波或鋸齒波的一種脈寬調(diào)制法，它是1964。這項技術(shù)的特點是原理簡單，通用性強，控制和調(diào)節(jié)性能好，具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的多種作用，是一種比較好的波形改善法。傳統(tǒng)的電源采用都是模擬控制系統(tǒng)，模擬控制經(jīng)過多年的發(fā)展，己經(jīng)非常成熟。模擬器件的老化問題和不可補償?shù)臏仄瘑栴}，以及易受環(huán)境(如電磁噪聲，上作環(huán)境溫度等)干擾等因素都會影響控制系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。高速數(shù)字MCU的發(fā)展，正弦波逆變器的控制技術(shù)方案也由傳統(tǒng)的模擬控制向現(xiàn)代數(shù)字化控制的方向發(fā)展?；贛CU的發(fā)展上逆變電源技術(shù)正朝者以下幾種趨勢發(fā)展：1 高頻化 理論分析和實踐經(jīng)驗表明：電器產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，原材料消耗顯著降低、電源裝置小型化、系統(tǒng)的動態(tài)反應(yīng)加快，更可以深刻體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。3 綠色化 隨著各種政策法規(guī)的出臺，對無污染的綠色電源的呼聲越來越高。為了使電源系統(tǒng)綠色化，電源應(yīng)加裝高效濾波器，還應(yīng)在電網(wǎng)輸入端采用功率因數(shù)校正技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)。提高功率因數(shù)的傳統(tǒng)方法是采用無源功率因數(shù)校正技術(shù)，目前較先進的方法是：單相輸入的采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)。同時，通過 89S52單片機控制 ADC0809采集輸出的電壓值并在數(shù)碼管上作相對應(yīng)的顯示。SPWM的產(chǎn)生是通過單片機 ATMEGA8根據(jù)算法產(chǎn)生。ATMEGA8 單片機是 ATMEL公司推出的高速最小型高速單片機，它是一個 28腳的小型單片機，在內(nèi)部已經(jīng)集成晶體振蕩器，無須外接晶振就可以以最高速度 8MHz的時鐘執(zhí)行程序。本課題的實用性非常強，在許多的領(lǐng)域中都用到，如：用于交流電機調(diào)速系統(tǒng)、艦船、航空航天、郵電通訊、軍事裝備、交通設(shè)施、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備等。圖 1 正弦波與三角波比較電路框圖該方法實現(xiàn)比較困難，并且受運放參數(shù)影響較大，調(diào)試困難，穩(wěn)定性較差而且，不易靈活控制。圖 2 單片機控制 PWM芯片框圖用單片機去指令控制 PWM的移相或倒相。缺點是專用 PWM芯片難以控制，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度成本較高，不易于在實際中應(yīng)用。由于單片機輸出的是數(shù)字信號，使其具有數(shù)字化的特點。 驅(qū)動電路的設(shè)計方案論證與選擇方案 1：使用專用驅(qū)動芯片如 M57962，EXB840，IR2110 [4]等，如圖 3所示。缺點是此類芯片幾乎都存在一個共同的特點，本身不能產(chǎn)生負電壓，抗干擾能力差，并且有一定的延遲時間，芯片反應(yīng)速度較慢，不適合在高頻電源中使用并且其一般價格較高。電路中選用高速開關(guān)三極管 8050和8550，其反應(yīng)速度可以達到微秒級，能很好的抑制在傳輸中出現(xiàn)的新的頻率成分, 并且避免了信號在傳輸過程中的累加延遲，有利于減少輸出波形的失真度。在需要更大電流驅(qū)動的場合，三極管還可以接成推挽輸出模式以提高輸出電流，分立元件的驅(qū)動電路具有良好的性價比。PWM輸出輸出濾波驅(qū)動芯片電源電路3 系統(tǒng)組成本變頻器電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。該直流電壓在電壓可調(diào)電路的控制下，經(jīng)過橋式逆變電路逆變后，可輸出由驅(qū)動電路送來的SPWM信號，在經(jīng)過一級小容量的LC濾波網(wǎng)絡(luò)后，即可在輸出端獲得較為理想的正弦波輸出電壓信號。圖4 變頻器結(jié)構(gòu)原理圖電壓顯示 電源電路2EMI濾波 整流濾波 電壓可調(diào)電壓采集顯示驅(qū)動 單片機 驅(qū)動電路橋式逆變輸出濾波單片機產(chǎn)生 SPWM生chacheng生電源電路1輸出AC4 單元電路的設(shè)計 光電隔離電路設(shè)計光電隔離也叫光電藕荷器，就是把電的信號轉(zhuǎn)換成光的信號，然后再把光的強弱轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電壓信號，從而實現(xiàn)高壓和低壓的電氣隔離。因此，光電隔離事實是一種電信號——光強弱——電信號變換器。一般情況下光電藕荷器輸入端是靠一定的電流來觸發(fā)光耦管，從而產(chǎn)生一個輸入信號，電流一般為 4mA 22mA。其中， 代表低電平， VCC 代表高電平。TTL 輸入端則只能是高低電平，且不能超過額定的 VCC（一般為 5V)。電路由芯片內(nèi)部 DD2 和 Q1組成：23 56876N135圖 42 6N135內(nèi)部電路圖 43為光電隔離電路圖。 +18VR3200R41KR53K235687 6N135圖 43 光電隔離電路圖 由于后級的輸入驅(qū)動電壓一般不能低于 12V，否則會造成后極無法正常工作，因此在光耦的三極管輸出端為其加 18V的電源電壓，以保證后級正常工作所需電壓。R63KQ38050Q28550+18V圖 44 IGBT驅(qū)動電路電路由 3 和 R6組成。當信號為高電平的時候 Q3導(dǎo)通，那么 Q3的 C極和 E極相當于是短接的，也就是輸出為高電平。 IGBT 電路設(shè)計 IGBT 介紹絕緣門極雙極型晶體管(Isolated Gate Bipolar Transistor簡稱 IGBT)是復(fù)合了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好驅(qū)動電路簡單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點，因此現(xiàn)今應(yīng)用相當廣泛。由于實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓 BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率場效應(yīng)管具有 RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT 消除了現(xiàn)有功率場效應(yīng)管的這些主要缺點。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個低 VCE(sat)的能力，以及 IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化 IGBT驅(qū)動器的原理圖。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使 IGBT 關(guān) 斷。當場效應(yīng)管的溝道形成后，從 P+ 基極注入到 N 一層的空穴（少子） ，對 N一層進行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N一層的電阻，使 IGBT在高電壓工作時，也具有低的通態(tài)電壓。輸出漏極電流比受柵源電壓 Ugs的控制，Ugs 越高，Id 越大。在截止狀態(tài)下的 IGBT，正向電壓由 J2結(jié)承擔，反向電壓由 J1結(jié)承擔。IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流 Id與柵源電壓 Ugs之間的關(guān)系曲線。在 IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id 與 Ugs呈線性關(guān)系。 IGBT的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過場效應(yīng)管的電流成為 IGBT總電流的主要部分。 通態(tài)電流 Ids 可用下式表示： （43）osBpnIdsIm)1(???式中 Imos——流過場效應(yīng)管的電流。IGBT 處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。Td(on) 為開通延遲時間，Tri 為電流上升時間。漏源電壓的下降時間由 Tfe1 和 Tfe2 組成。因為場效應(yīng)管關(guān)斷后，PNP 晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，Td(off)為關(guān)斷延遲時間，Trv 為電壓 Uds(f)的上升時間。由此可以總結(jié)出 IGBT的工作原理為 IGBT由柵極電壓正，負來控制。當加上負柵極電壓時，IGBT 工作過程相反，形成關(guān)斷。橋式電路如圖 45所示：GSDBT110N60GSDBT410N60GSDBT210N60GSDBT310N60VCCRL 圖 45 IGBT橋式電路將正弦波的正半個周期生成的 SPWM波，送入 BT1和 BT3讓其同時導(dǎo)通（此時須先讓 BT2和 BT4截止） ，那么在負載 RL上得到正半個波形的 SPWM波形。也就是在整個正弦波周期，RL 上的波形是正半個 SPWM和負半個 SPWM的疊加，就得到一個全波型的 SPWM。一般的低通電路中大多用電感線圈和電阻組成，但是 RL低通濾波只適合于功率輸出不大的場合，而電阻在系統(tǒng)中要消耗很多的能量。因此本設(shè)計中用的是 LC低通濾波，也就是一階巴特沃斯低通濾波，巴特沃斯低通濾波器具有以下優(yōu)點： 1 模糊大大減少，因為包含了許多高頻分量；2 沒有振鈴現(xiàn)象，因為濾波器是平滑連續(xù)的。由于 LC低通濾波齊是過了諧振頻率以后才 40DB/DEC的衰減，因此在設(shè)計過程中截止頻率 F取得大些。首先電感把高次諧波中的一部份抑制之后電容把剩余部分的高次諧波對參考電位濾除，在輸出端就可以得到無失真的正弦波。見圖 47和圖 48：D35C522200uF/35V Vin1GND2+5V 3U9LM7805C542200uF/35VT2AC220V 15VC56470uF/25V Vin1GND2+15V 3U8LM7809123JP7+5V 圖 47 單片機供電電源電路 由變壓器出來的交流信號經(jīng)過橋式整流和電容濾波之后送給 LM7809，穩(wěn)壓 9V輸出直接接到 LM7805，它的輸出單獨供給單片機。接輸入 輸出小容量高頻電容以抑制芯片自激，輸出引腳端連接高頻電容以減小高頻噪聲 [5]。IGBT作為新一代全控型電力電子器件，其開關(guān)頻率高、驅(qū)動功率小，構(gòu)成的功率交換器輸出電壓紋波小，線路簡單，價格便宜是當前最具有應(yīng)用前景的中小功率器件。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，研究重點轉(zhuǎn)移到以MCU為主的數(shù)字方案。 PWM技術(shù)從最初采用分離元件的模擬電路完成三角波和正弦調(diào)制波的比較，產(chǎn)生SPWM控制信號，到目前采取全數(shù)字化方案，完成實時在線的PWM（SPWM）信號輸出。其中多數(shù)要與單片機連接才能完成SPWM控制功能，通常應(yīng)用于高要求的逆變系統(tǒng)中。 SPWM 波形生成方法 1 常用算法比較 微機控制的SPWM算法有多種，常用的有自然取樣法和規(guī)則取樣法。規(guī)則取樣法（圖49 b）采用近似求U Δ 和U R交點的方法，通過兩個三角波峰之間中線與U R的交點作水平線與兩個三角波分別交于A和B點，由交點確定SPWM的脈寬，這種方法計算量相對自然取樣法小的多，但存在一定誤差 [6]。如圖410所示，在區(qū)間[t,t+Δt]，正弦波面積為（IGBT開啟時刻）： （46）knfktTon???????)21()(21IGBT關(guān)斷時刻： （47）kfktf ??)()(IGBT的開關(guān)時間的計算，對應(yīng)圖中相對應(yīng)的脈沖面積。則第 K份正弦波面積與對應(yīng)的第 K個 SPWM脈沖面積相等，解得： （48）?????? )cos()1cos(])cos()1[cos(2 NfMNKMk??圖 410 等效面積控制算法 ATMEGA8 單片機介紹 ATMEGA8單片機是AVR系列單片機中的一種，具有高性能、低功耗的8位AVR 微處理器，先進的RISC精簡指令結(jié)構(gòu)130條指令并且大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單個時鐘期，32個8位通用工作寄存器全靜態(tài)工作，工作于16MHz時性能高16MPIS，只需兩個時鐘周的硬件乘法器，內(nèi)部為非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器，高達8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)在可編程Falsh，其擦寫壽命可達到10000次，具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的同時讀寫操作，512字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命在100000次，1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM供用戶使用。一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/ 計數(shù)器，具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC，三通道PWM，TQFP與MLF封裝的8路10位ADC，PDIP封裝的6路ADC，面向字節(jié)的兩線接口，兩個可編程的串行USART，可工作于主機/從機模式的SPI串行接口，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，片內(nèi)集成模擬比較器上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測片內(nèi)經(jīng)過標定的RC振蕩器，通過對寄存器的設(shè)置可工作在5種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式及Standby模式。本芯片是以ATMEL高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲區(qū)。通過將8位RISC精簡指令CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個芯片內(nèi)，ATMEGA8成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。1(RESET) PC62(RXD) PD03(TXD) PD14(INT0) PD25(INT1) PD36(XCK/T0) PD47VCC8GND9(XTAL1/TOSC1) PB610(XTAL2/TOSC2) PB711(T1) PD512(AIN0) PD613(AIN1) PD714(ICP1) PB0 15 PB1 (OC1A)16 PB2 (SS/OC1B)17 PB3 (MOSI/OC2)18 PB4 (MISO)19 PB5 (SCK)20 AVCC21 AREF22 GND23 PC0 (ADC0)24 PC1 (ADC1)25 PC2 (ADC2)26 PC3 (ADC3)27 PC4 (ADC4/SDA)28 PC5 (ADC5/SCL)ATMEGA8圖411 ATmega8管腳圖VCC 數(shù)字電路的電源。端口B：(PB7……PB0)XTAL1/XTAL2