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1、(10)申请公布号 CN 102891651 A (43)申请公布日 2013.01.23 C N 1 0 2 8 9 1 6 5 1 A *CN102891651A* (21)申请号 201210389628.6 (22)申请日 2012.10.15 H02P 27/08(2006.01) H02M 7/5387(2007.01) (71)申请人常州工程职业技术学院 地址 213164 江苏省常州市武进区滆湖中路 3号 (72)发明人祝骅 陆建国 裴忠贵 刘俊 祖晖 肖龙海 (74)专利代理机构常州市维益专利事务所 32211 代理人路接洲 (54) 发明名称 一种基于可编程计数阵列的三相逆。
2、变器 (57) 摘要 本发明涉及一种基于可编程计数阵列的三 相逆变器，包括控制芯片和电源模块，所述的电 源模块的输入端连接控制芯片的输出端；所述的 控制芯片的输出端还另外通过一个反相电路连 接到电源模块的输入端；所述的电源模块通过整 流装置为其提供工作电压；电源模块的输出端 连接三相电机。本发明采用了集成电源模块和 STC12C5608AD的单片机，仅需加载SPWM控制信号 和电源，它就能输出变频三相交流电源，因此大大 降低了成本，减少了运算时间，可以适用于一些调 速要求不是很高的场合。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12。
3、)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 1/1页 2 1.一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，其特征在于：包括控制芯片和电源模块， 所述的电源模块的输入端连接控制芯片的输出端；所述的控制芯片的输出端还另外通过一 个反相电路连接到电源模块的输入端；所述的电源模块通过整流装置为其提供工作电压； 电源模块的输出端连接三相电机。 2.如权利要求1所述的一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，其特征在于：所述的 控制芯片为型号为STC12C5608AD的单片机，其具有768字节的SRAM和4路可编程计数阵 列PCA，最多输出4路SPWM信号。 3.如权利要求1所述的一种基于可编程计。
4、数阵列的三相逆变器，其特征在于：所述的 电源模块的型号为IRAMS06UP60B，其具有绝缘栅双极型晶体管IGBT及驱动电路。 4.如权利要求2所述的一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，其特征在于：所述的 控制芯片输出的SPWM信号由占空比序列利用可编程计数阵列PCA实现；所述的占空比序列 由每一次改变的输出频率生成，并以无符号字符格式一维数组的形式存储于控制芯片的数 据存储器中。 5.如权利要求4所述的一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，其特征在于：所述的 PCA含有一个16位定时器，有4个16位的抓捕/比较模块与之相连；所述的每个模块工作 在4种模式下：上升/下降沿捕捉、软件定时器、高速输。
5、出或可调制脉冲输出。 权 利 要 求 书CN 102891651 A 1/3页 3 一种基于可编程计数阵列的三相逆变器 技术领域 0001 本发明涉及电子电力技术领域，尤其是一种基于可编程计数阵列的三相逆变器。 背景技术 0002 随着电力电子技术的发展，交流电机的变频调速技术在工业生产中使用越来越广 泛。目前，市场上常见的变频调速设备大都采用各大自动化设备厂商生产的变频器。除此 以外，也有一些自动化系统集成商自行开发研制的简易变频调速设备。变频器功能强大，调 速效果好，但是价格昂贵；目前市场上常见的自行研制的变频调速设备相对与变频器成本 较低，但由于其逆变器往往采用专用的逆变控制芯片或者是D。
6、SP、FPGA等高价芯片，总的来 说还是很难打破成本瓶颈。 0003 通过调研发现，市场上很多变频调速场合对调速要求并不太高，却采用功能强大、 价格昂贵的变频器，有些场合功能利用率甚至不到1%，造成了极大地浪费。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问题是：提供一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，以低 成本的变频调速方案，以解决这种“大材小用”的浪费现象。 0005 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于可编程计数阵列的三相逆 变器，包括控制芯片和电源模块，所述的电源模块的输入端连接控制芯片的输出端；所述的 控制芯片的输出端还另外通过一个反相电路连接到电源模块的输入端；所述的电源模。
7、块通 过整流装置为其提供工作电压；电源模块的输出端连接三相电机。 0006 具体的说，本发明所述的控制芯片为型号为STC12C5608AD的单片机，其具有768 字节的SRAM和4路可编程计数阵列PCA，最多输出4路SPWM信号。所述的电源模块的型号 为IRAMS06UP60B，其具有绝缘栅双极型晶体管IGBT及驱动电路。 0007 本发明所述的控制芯片输出的SPWM信号由占空比序列利用可编程计数阵列PCA 实现；所述的占空比序列由每一次改变的输出频率生成，并以无符号字符格式一维数组的 形式存储于控制芯片的数据存储器中。 0008 本发明所述的PCA含有一个16位定时器，有4个16位的抓捕/比。
8、较模块与之相 连；所述的每个模块工作在4种模式下：上升/下降沿捕捉、软件定时器、高速输出或可调 制脉冲输出。 0009 本发明的有益效果是，解决了背景技术中存在的缺陷，采用了集成电源模块和 STC12C5608AD的单片机，仅需加载SPWM控制信号和电源，它就能输出变频三相交流电源， 因此大大降低了成本，减少了运算时间，可以适用于一些调速要求不是很高的场合。 附图说明 0010 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 0011 图1是IRAMS06UP60B的典型接线电路原理图； 说 明 书CN 102891651 A 2/3页 4 0012 图2是本发明的三相逆变器的系统框图； 0013 。
9、图3是可编程计数阵列结构图； 0014 图4是本发明主程序流程图。 具体实施方式 0015 现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的 示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。 0016 如图2所示的一种基于可编程计数阵列的三相逆变器，包括控制芯片和电源模 块，所述的电源模块的输入端连接控制芯片的输出端；所述的控制芯片的输出端还另外通 过一个反相电路连接到电源模块的输入端；所述的电源模块通过整流装置为其提供工作电 压；电源模块的输出端连接三相电机。 0017 由于市场上的变频调速设备除了采用现有的变频器以外，也有一些场合采用自行 研。
10、制的简易变频设备。经过大量的调研发现，这类变频调速设备大都采用的逆变控制芯片 或者是DSP、FPGA等高端芯片，成本较高；并且IGBT及其驱动电路价格也不菲，对于三相逆 变器而言，IGBT及其驱动电路也是成本构成的很大组成部分。因此，为了减小成本，本发明 采用International Rectifier公司的IRAMS06UP60系列集成电源模块，并且具体选择了 其中的IRAMS06UP60B。IRAMS06UP60B是一款专为交流电机变频调速和设计的驱动模块，主 要特点有集成了门电路驱动、内部温度检测等特点。该模块使用非常简单，其典型与外部控 制器及三相电机的接线方式如图1所示。图中虚线框。
11、以内为IRAMS06UP60B模块。采用了 集成电源模块，由于其内置了IGBT及驱动电路，仅需加载SPWM控制信号和电源，它就能输 出变频三相交流电源，因此大大降低了成本。 0018 由于在变频调速场合需要即时生成SPWM波形，对控制芯片的运算能力要求较高， 因此目前逆变器都采用运算能力强的高端芯片如DSP，或是运算速度快的FPGA等。普通51 单片机虽然成本低，但其ALU的核心运算部件是累加器ACC，不像DSP那样有硬件乘法器，但 其运算能力不足，不可能完成即时占空比的运算。基于此，本发明采用查表法，将正弦曲线 离散化后以列表的形式保存在单片机的内部数据存储器中，在需要计算占空比的时候将相 。
12、应的值读取出，这样就大大减少了运算时间；并且选择了STC12C5608AD单片机。该单片机 价格低廉，有768字节的SRAM，并且有四路可编程计数阵列（PCA），最多可输出4路SPWM信 号。 0019 下面对SPWM信号的生成做详细说明： 0020 （1）信号产生原理 0021 SPWM（正弦脉冲宽度调制）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。其基 本原理是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM 法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即 SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希。
13、望输出的正 弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压 的频率和幅值。 0022 在系统结构确定以后，如何生成正确的SPWM信号成为实现逆变器的关键。由单片 机实现SPWM控制，根据其软件化方法的不同，有如下几种方法：自然采样法、对称规则法、 说 明 书CN 102891651 A 3/3页 5 不对称规则法和面积等效法等。理论分析发现面积等效法相对于其它方法而言，谐波较小， 对谐波的抑制能力较强。而且实时控制简单，利于软件实现。因此本文采用面积等效法实 现SPWM控制。 0023 （2）正弦信号序列 0024 由于单片机数学运算能力有限，即时计算正弦值难以。
14、满足要求，因此，需要一个满 足正弦规律的离散化了的信号序列，这个信号序列用一个字节的变化描述了一个正弦信号 一个周期内的变化，峰值为255，谷值为0。如果一个SPWM信号的宽度按照本信号序列变化， 则这个SPWM信号将等效于一个完整的正弦信号。这个序列可以用计算器算出来手工填写， 也可以用Excel等电子表格工具直接生成相应文本，黏贴到C语言代码中去。这个信号序 列固化在单片机的程序存储器里，系统运行时不再发生变化。该序列个数越多，SPWM信号的 与正弦信号的拟合程度就越高。本设计中该信号序列的长度为128，即占用了128个字节， 其他设计可以根据MCU的计算和存储能力对这个长度进行重新设定。。
15、 0025 （3）占空比序列的产生 0026 每一次改变输出频率，都需要生成一个新的占空比序列，这个序列以无符号字符 格式一维数组的形式存储于单片机的数据存储器中。 0027 首先，根据系统时钟计算载波频率。系统时钟周期的256倍为一个载波周期，即不 管输出的正弦信号频率为多少Hz，在一个载波周期内固有256个系统时钟周期。PCA就是 通过控制在这256个时钟周期内开关周期的个数，来控制占空比。即可以用以一个0到255 的数来描述0100%的占空比，如64表示在256个系统时钟周期，打开64个周期，占空比即 为25%。 0028 然后根据输出正弦信号的频率，计算一个正弦周期内，载波周期的个数，。
16、再根据先 前得到的标准正弦信号序列，逐一计算每个载波周期的占空比。这些各个载波周期的占空 比就构成了一个信号序列，这个信号序列以一维数组的形式存储于单片机的数据存储器中 备用。 0029 （4）SPWM信号序列的产生 0030 有了占空比序列以后，就可以利用PCA实现SPWM信号的输出了。PCA含有一个特 殊的16位定时器，有4个16位的抓捕/比较模块与之相连，如图3所示。每个模块可以工 作在4种模式下：上升/下降沿捕捉、软件定时器、高速输出或可调制脉冲输出。本设计中 需要用到3路SPWM信号，所以采用其中的3个模块，分别置于可调制脉冲输出（PWM）模式； 选用第四个模块作为计数器，每计数达到。
17、255产生一次中断。在PWM模式下，可以通过每个 模块都具有的寄存器CCAPnH和CCAPnL来控制占空比。所以每次中断都根据占空比信号序 列调整CCAP0H、CCAP1H和CCAP2H的值就可以改变下一个载波周期的占空比值了。图4所 述的是主程序流程图。 0031 本发明将该逆变器加载到普通三相异步交流电机，通过示波器检验实际波形，在 150Hz之间进行频率变更，发现波形平稳、完整，电动机运转良好。因此，该低成本逆变器完 全可以作为简易变频调速设备的核心部件投入实应用。 0032 以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实 质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体 实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。 说 明 书CN 102891651 A 1/3页 6 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102891651 A 2/3页 7 图3 说 明 书 附 图CN 102891651 A 3/3页 8 图4 说 明 书 附 图CN 102891651 A 。