基于单片机的SPWM变频器

第22卷第1期2010年3月武汉工程职业技术学院学报

Journal of W uhan E ngineering Institute Vol.22No.1

M arch 2010

基于单片机的SPWM 变频器

曹庆生

(武汉工程职业技术学院铁山校区 湖北 黄石:430000)

摘 要 采用单片机控制M OSFET 驱动模块,实现正弦波变频。使用MOSFET (IGBT )专用驱动芯片IR2302简化电路设计,采用了AT 2402存储芯片,以便保存用户设置。关键词 SPWM,单片机,M OSFET,程序设计

中图分类号:T N830.2 文献标识码:A 文章编号:1671-3524(2010)01-0025-06 交流异步电机在工农业生产、国防建设、居民生活中都有着重要的地位,异步电机的调速是比较普遍的问题,随着变频器的的普及,它优越的调速性能、宽阔的调速范围、平稳的调速能力,使之得到广泛采用。市场上品牌变频器价格极其昂贵,在某些小功率家用电器中无法得到应用。笔者设计的基于单片机的SPWM 变频器,可以用较低的成本,实现在家用电器等方面的应用。

1 变频器的组成和原理

变频是将固定频率的交流电变换为频率连续可

调交流电的过程。变频器一般有两大部分组成:一是电力部分,它是使用各种电力半导体器件,实现电力形式变换的功能电路;二是控制驱动部分,电力部分是依靠控制部分开展工作的,这一部分决定了变频器的工作性能、操作性能等。1.1 变频器组成

变频器采用单片机控制,为了使用和操作方便,增加了红外线遥控电路。电路方框图如图1

所示。

图1 变频电路方框图

由图1可见,变频先使用整流电路,将交流电

变换为平滑的直流电,再使用逆变器将直流电变换为频率连续可调的交流电。1.2 电路原理

单相交流电由J1端子输入,经过D1桥式整流,电容器C1滤波,得到较为平滑的直流电,施加到由四个功率管T 1~T4组成的桥式逆变电路上。在单片机控制下,采用专用驱动模块,让T 1/T 4、T2/T3轮流导通,在电动机M 上获得交变电压。见图2所示,电动机M 上获得的电压波形如图3

所示。

如果改变功率管导通的周期,即可改变交变电压的频率。

1.3 正弦脉宽调制

随着变频输出功率的加大,仅用开关原理生成

的交变电压中包含了大量低次谐波,对电网和外部空间形成很大的干扰。要求输出到电动机上的不仅是连续可调的交流电,而且还必须是正弦波电压。

收稿日期:2009-06-30 修回日期:2009-12-10

作者简介:曹庆生(1955~)男,高级讲师.E -m ail:cqs8031@

这就需要采用正弦波脉宽调制(SPWM ,Sinusoidal Pulse Width Mo dulation)方式,单片机要按照正弦规律对功率管进行控制。

图4是SPWM 基本原理,由图可见,将交流电周期分为若干个时段(等分),各个时段按正弦规律控制功率管导通与关闭时间。如果分配的时段非常多,等效输出电压就更为接近于正弦波电压。所以在器件允许的情况下,分配的时段要尽量的多。电路中L1、C2是滤波电路,它可以使输出交流电更接

近于正弦波。

图4 SPWM 原理

1.4 脉宽控制方法

针对于家用空调类负载,设计最高输出频率为60H z,,采用定频调宽工作方式,按60H z 分配了20个时段计算,调制频率为60H z @20=1200H z,频率分辨率为5H z 。

频率不同,可分配的时段数是不一样的,按下式计算:

n =调制频率变频频率=1200H z f

(1)

频率为10H z 时,一个周期可以分配120个时段(要求能被4整除),而50H z 仅分配24个时段。每个时段的宽度基本上为固定值(周期、调制频率固定):

S MAX =

100000060

@1520=833L s (2)

其各个时段调制宽度,按正弦规律,分别为(脉宽可调):

S n =833@sin (t n )(L s)

(3)

调制工作时,要求每一个调制波,都是由中心向

两边展开,见图5

所示。

图5 t n 的位置

在图6中,各个调制脉冲中心时刻分别为

t n =(n -0.5)833L s

(4)

各个调制脉冲开始时刻分别为

t sn =833@n -833

2

sin (t n )=n -12

sin (t n )@833

(5) 上式中,t n 为各个时段的中心时刻,计算得出的

调制宽度以微秒(L s)为单位。1.5 常用功率管

早期的电力半导体器件是晶闸管,它的电压降比较高,产生的功率损耗比较大,使变频效率很低;晶闸管属于电流控制器件,控制电路也需要消耗较大的功率。随着新型电力器件的出现,变频器才有了今天这样的普及。

目前常用的电力器件主要有绝缘栅晶体管IG -BT(Insulated Gate Bipo lar T ransistor )、功率场效应管M OSFET (M etal -Oxide -Semiconducto r Field-Effect Transisto r),它们都属于电压控制器

件,控制电路只需要提供控制电压,不需要电流,所以,控制电路的功耗就大为降低了。

图6 IGBT MOSFET 管

图2中IRF840是M OSFET 管,电流8A\电压500V \功率125W \导通电阻0.858,是很理想的开

关元件。

2 变压、转矩提升原理

变频设备大多数的负载都是交流异步电动机,变频装置也应该根据电动机的工作机理,适应异步电机的运行。

2.1 V/F 原理

根据电动机的激磁原理,铁芯圈有如下公式

E =4.44f @N @5

(6)

当输出频率降低时,变频输出电压(U o U E)也应该有所降低,否则将造成铁芯磁场饱和,失去电感作用,电流将会大幅度地增加,以致烧毁电动机。所以,在变频系统中常采用V/F 制,随着频率降低,输

出电压也跟随着降低。

频率低于50H z,变频输出电压应该随着频率降

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武汉工程职业技术学院学报 2010.1