单片机控制的SPWM三相Scott逆变器研制

2. 1 基本原理 该三相逆变器的原理框图如图 1 所示 。图 1
中 ,过 、欠压保护和过流保护电路检测逆变器输出电 压及输入电流 ,一旦发生故障 ,单片机信号发生器停 止输出 ,并点亮相应的故障指示灯 。Scott 电路包括 按 Scott 方 式 连 接 的 两 个 变 压 器 及 滤 波
收稿日期 :2002 - 03 - 28 定稿日期 :2002 - 05 - 21 作者简介 :任仁良 (1957 - ) ,男 ,江阴市人 ,硕士 ,教授 ,
1750～1875
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64 H
1876～2001
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61 H
2002～2059
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69 H
2060～2106
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61 H
2107～2132
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41 H
2133～2244
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2245～2269
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41 H
2270～2316
成三相对称交流电的电路 ,其基本原理如图 2 所示 。
图 2 Scott 电路原理
在等腰ΔA B C 中 (图 2a) , O 为 A B 的中点 ,当 CO∶A O = 3 时 ,则ΔA B C 为正三角形 。按上述原 理 ,接线图如图 2b 所示 ,两个变压器的输入互相垂 直分别为 sinωt 和 cosωt ,且次级匝数满足 O C = 3 OA = 3 OB ,则输出 A B C 为对称的三相交流电 。 2. 3 功放及驱动电路
cos nθ3 - cos nθ4 + cos nθ5)
(2)
在式 (2) 中 ,令 b3 、b5 、b7 、b9 、b11等于零 ,得方程组 :
cos 3θ1 - cos 3θ2 + cos 3θ3 - cos 3θ4 + cos 3θ5 = 0
cos 5θ1 - cos 5θ2 + cos 5θ3 - cos 5θ4 + cos 5θ5 = 0
研究方向为电气测量技术和电力电子技术 。
器 ,调 压 器 为 DC/ DC PWM 调 压 器 , 电 源 模 块 (15W24S5D15D) 为单片机及驱动电路提供工作电 源 ,霍尔直流电流传感器为型号 L TS - 25 - N P。
图 1 三相逆变器原理框图
2. 2 Scott 电路原理 电路是两相互相垂直 (相位相差 90°) 交流电变
8
单片机控制的 SPWM 三相 Scott 逆变器研制
表 1 P1 口状态
区间 (单位μs)
P1. 0
P1. 1
P1. 2
P1. 3
P1. 4
P1. 5
P1. 6
P1. 7
十六进制
0～126
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127～184
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185～231
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232～256
文中研究的三相逆变器采用固定开关角的正弦 调制波 ( SPWM) 和余弦调制波 ( CPWM) ,波形由带 EPROM的单片机产生 ,经过各自的驱动电路和功放 电路放大 ,然后由 Scott 方式连接的两个变压器转 换成三相交流电 ,采用在直流端进行 DC/ DC 变换 方式实施调压 。
2 逆变器的构成
将图 4b 按傅里叶级数展开 ,由于 U (θ) 为奇函
数 ,展开式为 :
∞
U (θ) = Σ bn sin nθ
(1)
n=1
∫ 式中
bn
=
2 π
π
U (θ) sin
o
nθdθ
在脉冲期间 ,电压幅值为 U ,在脉冲间隔期间
电压幅值为零 ,则 :
bn
=
4U nπ
( co s
nθ1 -
co s
nθ2 +
图 3 SPWM 通道功率及驱动电路
图 3 中功放电路采用桥式电路 ,这种电路的优
点有 :所选用的功率管的耐压比推挽式降低一半 ,功
率管的存贮时间对电路工作影响不大 ;变压器不需
中心抽头 ;易于实现 SPWM 或 CPWM 波和方波混
合控制 。采用混合控制的目的 ,是为了在感性负载
下 ,减小输出波形的畸变[1 ] 。驱动器的输入直接与
小且极易滤除 。 设逆变器输出频率为 400 Hz ,根据 θ1～θ5 即可
计算出 W 1～ W 6 ,并考虑到 2 ( W 1 + W 2 + W 3 + W 4 + W 5) + W 6 = 1250μs ,计算出 W 1 ～ W 6 的值分别 为 126μs , 58μs , 72μs , 112μs , 26μs , 462μs , 单片机采 用 12M 时钟 ,分辨率为 1μs。
单片机的 P1 口相连 。
3 控制信号的产生
控制信号由单片机 89C51 产生 。
3. 1 SPWM 波的脉宽计算
如图 4 所示 ,半个正弦波用 5 块 SPWM 波来表
示 ,若角度θ1～θ5 取值合理 ,就能使 3 ,5 ,7 ,9 ,11 次
谐波等于零 ,脉冲数越多 ,就能使更高次谐波等于
零 ,但功率管开关损耗也越大 ,故选 5 个脉冲波 。
θ4 = 52. 9045°,θ5 = 56. 6857°。
当θ1～θ5 等于上述值时 ,3 ,5 ,7 ,9 ,11 次谐波
等于零 ,但仍有 13 ,15 次等高次谐波 ,它们的幅值很
图 4 SPWM 波的形成
3. 2 控制信号波形 用 89C51 产生 8 个控制信号 , 由 P1 口输出 ,
46 H
1377～1434
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1435～1481
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1482～1506
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1507～1618
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1619～1644
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1645～1691
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1692～1749
0
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66 H
P1. 0～ P1. 3 输 出 SPWM 波 和 方 波 , P1. 4 ～ P1. 7 输 出 CPWM 波和方波 ,波形图如图 5 所示 。
图 5 89C51 P1 口输出波形
3. 3 软件结构 由于要同时输出 8 个波 ,软件直接对 P1 口进行
操作 ,而不采用位操作的方法 ,根据图 5 ,在不同区 间对 P1 口进行写操作 。一个周期的 P1 口状态及 16 进制数见表 1 。
cos 7θ1 - cos 7θ2 + cos 7θ3 - cos 7θ4 + cos 7θ5 = 0
(3)
cos 9θ1 - cos 9θ2 + cos 9θ3 - cos 9θ4 + cos 9θ5 = 0
cos 11θ1 - cos 11θ2 + cos 11θ3 - cos 11θ4 + cos 11θ5 = 0 解得 :θ1 = 18. 1701°,θ2 = 26. 6355°,θ3 = 36. 8719°,
根据 Scott 电路要求 ,需要两套如图 3 所示的功 7
第 36 2002
卷第 6 期 年 12 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol. 36 ,No. 6 December ,2002
放及驱动电路 ,功放电路采用 MOSFET 管式 I GB T , 驱动器采用专用驱动模块 IR2110 。
在软件中设置看门狗程序 (用 89C51 内 P 定时 器 1) ,以防死机而烧坏功率管 。另外由于单片机上 电复位时 ,P1 口为高电平 ,为防止烧坏功率管 ,在驱
动模块 IR2110 的 11 脚加装上电延时开启电路 。
4 结束语
按上述方案研制成功的逆变器用于罗盘校验教 学模拟机上 ,驱动远读式陀螺磁罗盘 。逆变器输入 为航空电瓶电压 24V ,输出为三相交流 36V (线电 压) 400 Hz ,功率 200VA 。实际使用表明该逆变器体 积小 、重量轻 、运行稳定可靠 ,在感性负载时 ,波形失 真度仍小于 5 %[4 ] ,符合航空电源要求 。图 6 为该 逆变器在带载时的电压输出波形 (10V/ 格) 。
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2317～2374
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2375～2500
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49 H
软件采用汇编语言编写 。编程时 ,精确计算各 条程序的执行时间 ,因单片机采用 12M 时钟 ,一条 程序的最短执行时间为 1μs ,即分辨率为 1μs。将程 序表 1 的十六进制数依次循环写入 P1 口 ,即能产生 图 5 波形 。在每周的最后一个区间 ,程序查询过 、欠 压及过流保护位 ( P3. 0 ～ P3. 2) ,若有故障 ,将零写入 P1 口 ,并输出相应的故障信号 。过 、欠压及过流保 护电路需有一定延时 ,以防止干扰 。
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257～368
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99 H
369～394
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11 H
395～441
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91 H
442～499
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500～625
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91 H
626～751
1
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752～809
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810～856
摘要 :由单片机产生两路固定开关角正弦调制波 SPWM 和余弦调制波 CPWM ,经各自的驱动电路和功放电路 放大 ,然后由 Scott 方式连接的两个变压器转换成三相对称交流电 ,并在直流端实现调压 。该逆变器具有结构简 单 、工作可靠 、波形失真小的特点 。
关键词 :单片微型机 ;逆变器/ 正弦脉宽调制 ;余弦脉宽调制 中图分类号 : TM464 文献标识码 :A 文章编号 :1000 - 100X(2002) 06 - 0007 - 03
Development of Microprocessor Controlled SPWM Three2phase Scott Connected Inverter
REN Ren2liang , J IAN G Wan2qing
( Civil A viation U niversity , Tianji n 300300 , Chi na) Abstract :SPWM (Sine Pulse Widt h Modulation) and CPWM ( Cosine Pulse Widt h Modulation) signals wit h fixed switching angles are generated by microprocessor. After being amplified by t heir driving circuits and power amplifiers , t he signals are converted to t hree2p hase AC by Scott connected transformers. The output voltage regulation is realized at its DC input . This inverter has simple construction , high reliability and low HMD. Keywords :microprocessor ; inverter ; SPWM ; CPWM
第 36 2002
卷第 6 期 年 12 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol. 36 ,No. 6 December ,2002
单片机控制的 SPWM 三相 Scott 逆变器研制
任仁良 , 蒋万青
(中国民航学院 , 天津 300300)
Leabharlann Baidu
1 引 言
逆变器在飞机和地面都有着极其广泛的应用 , 经历了从动逆变器到静止逆变器的发展过程 ,逆变 器的转换效率得到了很大的提高 。在静止逆变器 中 ,逆变波形有方波 、SPWM 波和阶梯波等多种 。 根据总谐波含量最小的原则 ,用以减小波形失真度 ( HMD) ,减小滤波器重量及提高效率 ,目前大多采 用 SPWM 波 ,其调压方式可采用固定开关角 ,从输 入端进行调压或采用改变开关角的方式进行调压 。
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857～882
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