引言随着电力电子技术的飞速发展，正弦脉宽调制（SPWM）变频器也得到了大力的发展，在各个领域内得到了广泛的应用。

SPWM 变频器主要应用于中小容量，高性能的交流调速系统中，这种新型的变频器具有如下的优点：(1)输出电压的幅值和频率均在逆变器内控制和调节，可以方便的实现压频比恒定控制或低频时幅值电压的补偿等功能，系统的动态性能较好;(2)功率变化只在逆变器内完成，逆变器可由二极管整流供电，电网的功率因数较高；(3)由SPWM逆变器供电的异步电机的电流波形接近正弦波，谐波分量较少，矩阵脉动小，改善了电动机的运行性能。

鉴于正弦脉宽（SPWM）变频器的上述优点，以及在实际电气传动系统中，不同设备对电源的不同需求。

本文采用了新型功率器件IGBT和8031AH单片机控制系统，设计了一种新型的单相桥式SPWM变频电源。

该变频电源采用恒压频比控制，即U/F为常数，能使主频率在0 ～ 100Hz内可调，且将软件设计和硬件设计结合起来，减少了硬件电路的不必要的成本，又使软件编程不至于繁锁。

本设计由我和张建忠同学合作完成，我主要作硬件原理设计参数计算与软件编程、调试等工作，具体内容在本论文中有详述。

而有关硬件绘图、电路仿真及电路介绍等内容可参阅张建忠同学的毕业论文。

由于设计者的能力有限，在设计过程中得到了常宝林老师的悉心教导和大力协助，才将本设计顺利的完成。

在此，向指导老师并支持过我们的各位老师表示衷心的感谢。

目录第一章脉宽调制（PWM）逆变器一、脉宽调制技术（PWM）及其分类……………………..二、正弦脉宽调制技术………………………………………三、同步调制和异步调制……………………………………四、SPWM波形的软件生成………………………………第二章单相桥式正弦脉宽调制（SPWM）变频电源硬件设计……一、设计方案及总体框图…………………………………..二、电路原理与参数计算…………………………………..§1.主电路……………………………………………………§2.驱动电路…………………………………………………§3. 吸收电路…………………………………………………..§4.保护电路………………………………………………….§5. 控制及接口电路………………………………………….第三章软件设计……………………………………………….一．对称规则采样法………………………………………….二．地址分配………………………………………………….三．程序设计…………………………………………………..四．程序调试与仿真…………………………………………五．程序清单……………………………………………………结束语……………………………………………………………….参考文献……………………………………………………………外文翻译……………………………………………………………第一章脉宽调制逆变器一、脉宽调制（PWM）技术及其分类在电气传动系统中，广泛的应用的PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频的目的的一种控制技术。

PWM控制技术可分为多种，而且还在不断的发展。

从控制思想上可分为四种：等脉宽PWM法，正弦脉宽PWM(SPWM)法，磁链追踪PWM法和电流追踪PWM法。

二．正弦脉宽（SPWM）技术SPWM法是为克服直流脉宽调制（PWM）的缺点（其输出电压中含较大的谐波分量）而发展起来的。

它从电动机的供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频、调压的三相正弦波电源，具体方法如图所示：上图（a）所示的正弦波，如将每半周期划分为N等分（图中N=6）,每一等分的正弦电压与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲所代替，且使矩形脉冲的中点与相应的正弦等分的中点重合，则各脉冲的宽度将是按正弦规律变化的。

按照采样控制理论中冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上，其效果基本相同的结论，图（b）所示，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形便与正弦波等效。

在用模拟电路产生等幅不等宽脉冲的方法中，通常采用期望的正弦波（称调制波）与三角波（称载波）相交的办法来确定各段矩形脉冲的宽度。

因为等腰三角波是上下宽度与高度成线性关系且对称，当它与一个光滑的曲线相交时，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比与该曲线函数值的矩形脉冲。

如下图所示，用正弦波和三角波相交（图b）得到一组矩形脉冲（图a），其宽度按正弦规律变化。

再用这组矩形脉冲作为逆变器各开关器件的控制信号，则在逆变器输出端就可得到一组类似图（a）的矩形脉冲，其幅值为逆变器直流侧电压，其脉冲宽度是它在周期中所在相位的正弦函数。

该矩形脉冲可用正弦波等效【图（b）中虚线所示】。

不难看出：（1）逆变器输出频率与正弦调制波频率相同，当逆变器输出端需要变频时，只要改变调制波的频率【图（e）】。

（2）三角波与正弦调制波的交点即确定了逆变器输出脉冲的宽度和相位。

通常采用恒幅的三角波，而来改变调制波的幅值的方法，以得到逆变器输出波形的不用宽度，从而得到不同的逆变器输出电压【图（c）和图（d）】。

像这样由载波调制正弦波而获得脉冲宽度按正弦规律变化又和正弦波等效的脉宽调制（PWM）波形称为正弦脉宽调制（SPWM）。

一般将正弦调制波的幅值A与三角载波的峰值Ap之比定义为调制度M[也称调制比或调制系数（Moudulation Index）]，即 M=A/Ap 改变SPWM输出电压和频率的波形。

除了将正弦波与单极弦性三角波脉宽调制外，还有正弦波与双极性三角波的调制波的调制方法，如图5.51所示时三角波和PWM波形有正负极性变化，但正半周期内，正脉冲同负半周期相反。

半周期内，正脉冲较负半周期则反之。

对单相桥式逆变器电路采用单极性调制时，在正弦波的半个周期内每臂只有一个开关器件导通或关断，而双极性调制时，逆变器两对角及同一臂上下两个开关元件交替通断，处于互补的工作方式。

在三相桥式逆变器双极性调制的情况中，PWM逆变器一般都用电压型，电压型逆变器由于用电容滤波，直流电源为低内阻的电压源，直流电压幅值和极性不能改变，能将电动机端电压限制在直流电源电压水平上，浪涌过电压较低，适于稳频稳压电源、不可逆拖动、快速性要求不高的场合以及多电机供电压和稳速工作。

在三相SPWM逆变器中，通常公用一个三角载波信号，用三个相位互差120度的正弦波作调制信号，以获得三相对称输出；基波电压的大小和频率也是通过改变正弦调制信号的幅值和频率来改变的。

由以上的分析可以看出，不管从调频、调压的方便和为了减少谐波，PWM逆变器都有着明显的优点：（1）即可分别调频、调压，也可调频调压，都由逆变器统一完成，仅有一个可控功率级，从而简化了主电路和控制电路的结构，使装置的体积小、重量轻、照价低，可靠性高。

（2）直流电压可由二极管整流获得，交流电网的输入功率因数与逆变器输出电压的大小无关，有数台装置可由同一台不可控整流供电。

（3）输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应速度取决于电子控制回路，而与直流回路的滤波参数无关，所以调节速度快，且可使调节过程中频率和电压相配合，以获得好的动态性能。

（4）输出电压或电流波形接近正弦，从而减少谐波分量，降低负载电机的发热和转矩脉动，改善了电机运行性能。

PWM逆变器要求有高的载波频率。

开关器件工作频率高，开关损耗和换流损耗会随之增加。

三、同步调制和异步调制在SPWM逆变器中，定义载波频率ff与调制频率F之比为载波比N。

根据调制波与载波频率之比是否固定抑或变化，SPWM的控制方式可以分为同步调制和异步调制：（1）同步调制：这时N＝常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步变化。

（2）异步调制：在逆变器的整个变频范围内，载波比N不等于常数，载波信号与调制信号不保持同步关系。

同步调制随着输出频率的降低，其相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，对电动机负载将产生转矩脉动和噪音等恶劣影响。

在异步调制方式中，其整个变频范围内三角波频率恒定，因此，低频时逆变器输出电压半波内三角波频率恒定，因此，低频时逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数增加，提高了低频时的载波比，这可减少负载电机的转矩脉冲与噪声，改善低频工作特性；但是由于载波比是变化的，势必使逆变器输出电压波形中正负半周期脉冲数及其相位都发生变化，很难保持三相输出间的对称关系，因而引起电机工作的不平稳。

为了克服上述两种控制方式的不足，可以扬长避短，将同步和异步两种调制方式结合起来，采用分段同步调制，保持输出波形对称的优点；当频率降低较多时，使载波比分段有级的增加，采纳异步调制的长处。

具体的说，就是把逆变器整个频率范围划分成若干频段，在每个频段内都维持载波比N恒定；对不同频段，则取不同的N值。

频率低时，取N值大些，例如可按等比级数安排。

各频段载波频率的变化范围基本一致，以满足功率开关器件对开关频率率的限制。

对三相SPWM逆变器电路采用同步调制时，为了使三相输出波形严格对称，应取载波N为3的倍数，同时，为了使一相的波形正负半周期对称，N应取奇数。

四、SPWM波的软件生成PWM波形可以由模拟和数字电路用调制的方法产生，而由于微机控制技术的发展，用软件生成SPWM波形的方法就变得比较容易。

目前SPWM波形的生成方法有多种：表格法（又称ROM法）、随时计算法（又称RAM法），实时计算法等。

其中的实施计算法是通过数学模型，而建立数学模型的方法又有多种，如谐波滤去法、等面积法、采样型SPWM法以及其它配生方法。

而采样型SPWM法又分为：自然采样法、规则采样法。

在本设计中，采用对称规则采样法，具体内容见软件设计部分。

第二章单相桥式正弦脉宽调制（SPWM）变频电源硬件设计一、方案与总体框图1、方案选择在交流调速系统中，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（Variable Voltage 简称VV）变频（Variable Frequency 简称VF）器，即VVVF, 通常称为VVVF装置。

而这种VVVF控制技术又分为两种，第一种是VV与VF方式，即把交流电整流成直流电的同时进行相应控制而逆变为可调频率的交流电，这种VVVF控制技术称为脉冲幅值调制（PAM）方式。

第二种是将VV与VF集中于逆变器一起完成的，即前面为不可控整流器，中间直流电压恒定，而后由逆变器既完成变压又完成变频，这种控制方式脉冲宽度调制方式，即PWM方式。

本设计选用第二种方式进行设计，因为这种方式的整流器无需控制，简化了硬件电路的结构，而且由于以全波整流代替相控整流，提高了输入端的功率因数，减少了高次谐波对电网的影响。

此外，由于输出电压波形又方波改进为PWM 波，减少了低次谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。