第 1 期 (总第 54 期) 2007 年 3 月 黎 明 职 业 大 学 学 报 Journal of Liming Vocational University No. 1 Mar. 2007 文章编号 : 1008 —8075 (2007) 01 —0035 —05 ·科技研究· 基于 AVR 单片机的三相正弦波变频电源设计 孙 　静 (黎明职业大学电子工程系 　福建 　泉州 　362000) 摘要 : 介绍了基于 AVR 单片机的三相正弦波多频电源设计原理 、主要电路设计与计算及软件设 计等 。该系统采用 AVR 单片机 A Tmega16L 作为控制器产生输出信号驱动晶体管 , 利用等效面积法 生成 SPWM 脉冲 , 实现正弦波变频电源 , 具有过流保护 , 液晶显示 , 键盘输入等功能 。主电路的逆 变部分采用了 IR2110 芯片进行驱动 , 简化了驱动电路 。 关键词 : AVR 单片机 ; 等面积法 ; SPWM 脉冲 ; 逆变 中图分类号 : TN86 　　　　　　　文献标识码 : A 1 　引 　言 2 　设计原理 在实验室和工业部门 , 三相正弦波变频电源 常用于各种测量和控制电路中 , 产生单相或三相 正弦波信号作为基准信号 , 基准正弦波的波形质 量直接影响到测量和控制的精度 。对于一个良好 的正弦信号源 , 要求其输出的基准正弦波信号幅 值 、频率高度稳定 、失真度小 、带负载能力强 、 幅值可调 , 对于三相正弦波信号还要求三相对称 度好 。兼顾这些要求往往使电路变得复杂 。SP WM 的实现方法多种多样 , 可通过专有芯片来 实现 , 如 HEF4752 、SL E4520 等 , 但这些芯片 价格较贵 。软件方法 , 有表格法 、随时计算法 、 实时计算法 。〔1〕前两种方法没有实时处理功能 , 动态响应时间较慢 。第三种方法有数学模型 , 如 自然采样法 、规则采样法 、等效面积法等 。本文 采用 A Tmega16L 单片机作为控制器产生输出信 号驱动晶体管 , 利用等效面积法生成 SPWM 脉 冲 , 实现正弦波变频电源的设计 。 采用交流 - 直流 - 交流 , 即先整流后逆变的 方法 , 制作一个频率可调的三相正弦波变频电 源. 先通过自耦变压器和隔离变压器将 220V 的 市电转化为 36V 左右 , 再通过电容滤波的不可 控整流电路 , 将交流整为直流 , 控制电路采用 A Tmega16L 单片机通过内部的累加器和比较器 通过调节占空比可以在 PC4 口输出 SPWM 波实 现 SPWM 调制产生输出信号 , 输出信号送给 IR2110 驱动 IGB T , 利用等效面积法生成 SP WM 脉冲 , 产生三相正弦波 。 3 　主要电路设计与计算 3 1 　主电路 主控电路硬件原理说明装置的构成框图如图 1 所示 。 收稿日期 : 2006 - 09 - 03 作者简介 : 孙静 (1979 —) , 女 (汉) , 河北邯郸人 , 黎明职业大学电子工程系教师 , 硕士 , 主要从事单片机、可编程序控制器 等方面的研究。 

　 63 黎 明 职 业 大 学 学 报 2007 年 3 月 图 1 　主控电路 　　如图 1 所示 , 主电路采用交流 - 直流 - 交 流 , 即 AC220V 先经过变压器降压 , 然后经过 整流桥进行全波整流 , 通过电容 C 滤波 , 得到 直 流 电 , 再 经 过 稳 压 片 7805 稳 压 , 得 到 DC60V , 再由逆变电路将平滑的直流电变成频 率可变的交流电 , 制作一个频率可调的三相正弦 波变频电源 。 图 2 　驱动电路 　　图 2 是驱动电路 , 其中逆变电路采用了三块 IR2110 对 IGB T 进行驱动 。每块 IR2110 同时输 出两个驱动信号给逆变桥中的上下晶体管 , 共产 生六路输出 , 形成三相正弦波信号 。控制信号由 单片机产生 , 经 IR2110 放大输出 , 直接推动功 率管 。为了防止干扰 , 还采用了光电耦合电路进 行隔离 。 3 2 　控制电路 控制电路主控芯片采用 A Tmel 公司生产的 A Tmega16L 单片机 。该芯片片内资源丰富 , 配 置 16 KB Flash ROM 、512B EEPROM 、1 KB RAM , 8 通道 10 - bit ADC , 16 - bit Counter/ Timer (可作 PWM 通道) , 有 USAR T、SPI 等 接口 。提供充足的程序空间 , 使控制器组态简 

　 第 1 期 孙静 : 基于 AVR 单片机的三相正弦波变频电源设计 73 单 , 稳定可靠 , 且价格相对低廉 。 图 3 　控制电路 3 3 　　控 制 电 路 如 图 3 所 示 , 利 用 单 片 机 A T M EGA16L 的内部的累加器和比较器通过调节占 空比可以在 PC 口输出 SPWM 波 , 产生六路输 出信号分别输送给三个 IR2110 驱动晶体管 。通 过键盘可对当前电压频率进行修改 , 并将设定的 频率值送液晶屏显示 。 3 　SPWM 调制原理 3 3 3 1 　规则取样法 在三角波中心线与正弦波的交点 C 处引一 条水平线 , 以此水平线与三角波的交点 A 、B 来 决定 SPWM 脉宽 , 如图 4 所示 。其不足之处是 脉宽数值误差较大 , 不能用于精度要求较高的场 合 。因其取样结果 t11 = t12 , 故又称为对称规则 取样 。〔2〕 2 　自然采样法 以正弦波为调制波 , 等腰三角波为载波进行 比较 , 在两个波形的自然交点时刻控制开关器件 的通断〔3〕这就是自然采样法 。其优点是所得 SP WM 波形最接近正弦波 , 但由于三角波与正弦 波交点有任意性 , 脉冲中心在一个周期内不等 距 , 从而脉宽表达式是一个超越方程 , 计算繁 琐 , 难以实时控制 , 用查表法将占用大量内存 , 调速范围有限 , 一般不采用 。 3 3 　等效面积法 把一个正弦半波分为 N 等分 , 每一等分的 正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积 相同的等高矩形脉冲代替 , 矩形脉冲的中点与正 弦波每一等分的中点重合 , 这样 , 由 N 个等幅 而不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正弦半波 等效 , 显然这一系列脉冲波形的宽度和开关时刻 可以严格地用数学方法计算得到 。〔4〕 3 如图 5 所示 , 在区间 [ t , t +Δt ] , 正弦波 面积为 S , 则有 : S1 = M ×US ∫t t +Δtsinωtdt = M ω ×US| cosωt - cosω (t +Δt) (1) 式中 M 为调制深度 , US 为直流电源电压 。 对应图 5 中脉冲面积 | 图 4 　规则取样法 

　 83 S2 =δ×US 2 黎 明 职 业 大 学 学 报 2007 年 3 月 (2) 3 3 5 　电压 、电流采样电路 电流互感器是一种广泛使用的电器元件 , 除 能将被测大电流降到标定值外 , 还可以安全的将 高压电路隔离 。本系统采用电流互感器来测量负 载端电流信号 , 用互感器从线路上取出反映电流 大小的控制信号 。当电流突然增大时 , 电流互感 器输出电流也随之增大 , 经过全桥整流 、滤波 , 输出直流电压信号 。CPU 通过对输出端电压的 AD 采集来感知 AC220V 电流的变化 , 当输出端 的电压过高时 , CPU 可以对电路采取保护措施 。 图 5 　等效面积控制法 将正弦信号的正半周 N 等分 , 则每份为π/ N 弧度 , 由图知脉冲高度为 US/ 2 , 设脉冲宽度 为δK , 则第 K 份正弦波面积与对应的第 K 个 SPWM 脉冲面积相等 , 解得 : 4 　软件设计 软件部分主要分为初始化 、信号采集 、中断 处理 、液晶显示 、键盘控制等部分 。单片机程序 采用 AVR 编程语言 , 通过 PC 机直接下载在线 编程调试 。主程序流程图如图 6 所示 。 ω [cos ( K - 1 2M N M [cos ( K - 1 = πf N ) π- cos ( K N ) π- cos ( K ) π] N (3) IGB T 的开关时间按如下计 ) π] δK = 如图 5 所示 , 算 : IGB T 开启时刻 : Ton = 1 2 (Δt -δK) = 1 2 ( 1 2 ×F ×N -δK) IGB T 关断时刻 : Toff = 1 2 (Δt +δK) = 1 2 ( 1 2 ×F ×N +δK) (4) 3 3 (5) 本系统采用等效面积法实现 SPWM 调制 。 4 　键盘输入和显示电路 人机交互模块是在单片机应用系统与人之间 的信息传递渠道 。它包括人对应用系统的状态干 预与数据输入以及应用系统向人报告运行状态与 运行结果两个方面 。 液晶显示器以其微功耗 、体积小 、显示内容 丰富 、超薄轻巧的诸多优点 , 在袖珍式仪表和低 功耗应用系统中得到越来越广泛的应用 。 本系统采用 4 个按键设定频率值并通过液晶 屏显示 。接口电路简单 , 可视化程度较高 。 图 6 　主程序流程图 

　 第 1 期 4 1 　采集部分 将负载端电压信号通过传感器采集后 , 经过 A/ D 转换送到单片机 , 当负载端电压高于电压 最大值时 , 单片机可以对电路采取保护措施 , 使 其负载端电压处于安全电压范围内 。 4 2 　键盘控制 系统采用了 4 个按键键盘作为人机交互接口 的输入设备 , 可以对频率值进行设定更改 。 4 3 　液晶显示 为了能够直观的看到频率的设定值 , 本系统 采用了液晶屏实现显示功能 。 4 4 　中断子程序 定时时间到达载波周期 T 后 , CPU 执行 T/ C0 中断服务程序 , 读开关点数据 , 计算各相占 空比 , 存储在相应 PWM 控制寄存器中 , PWM 使能 , 向端口发送驱动信号 。 5 　实验及结论 按照上述的设计思想 , 开发了单片机控制系 统的软硬件 , 程序由 fastavr4 30 编写 , 在 SL - AVR 实验开发机上调试通过 , 输出波形经示波 器观察 , SPWM 波形线性度较好 , 当给定频率 改变时 , 三相线电压基本保持对称 。采用等效面 孙静 : 基于 AVR 单片机的三相正弦波变频电源设计 93 积法生成的 SPWM 波形精度高 , 更接近正弦波 , 且谐波分量小 , 同时也对 CPU 的运算速度提出 更高要求 。本文利用高速嵌入式 AVR 单片机产 生 SPWM 脉冲序列 , 与专用控制芯片相比 , 具 有速度快 、精度高 、算法灵活等特点 , 同时由 AVR 单片机价格低康 , 编程开发方便 , 在低成 本的变频系统中有良好的发展前景 。 总之 , 本系统采用等效面积法生成的 SP WM 波形精度高 , 更接近正弦波 , 且谐波分量 小 , 实现了正弦波变频电源 , 具有过流保护 (输 出电流有效值达 3 6A 时动作) 、负载缺相保护 及负载不对称保护 (三相电流中任意两相电流之 差大于 0 5A 时动作) 功能 , 保护时自动切断输 入交流电源 、测量显示 , 具有一定的实用性 。 参 　考 　文 　献 〔1〕阎纲. 三相 SPWM 波的软件生成及应用研究 〔J 〕. 自 动化技术与应用 , 2003 , 22 (9) : 22 —24. 〔2〕郑瑞晨. 自然取样法 PWM 型变频调速的微机控制开 关点的确定 〔J〕. 湖北水力发电 , 2003 , (5) : 11 —13. 〔3〕高沁翔. 微机高精度调频调幅正弦波脉宽调制实时控 制器 〔J〕. 电网技术 , 1999 , (2) : 14 —17. 〔4〕张希林. 基于 AVR 单片机的 SPWM 变频调速控制策 略 〔J〕. 微计算机信息 , 2003 , (10) : 28 —32. (责任编辑 　东红)