基于PIC单片机的工程科学与技术国际论文

工程科学与技术，国际期刊22（2019）592完整文章基于PIC单片机Ya，sarBirbira，south，KanerYurtbasib，VolkanKanburogluca&土耳其马尔马拉大学技术学院电子电气工程系b土耳其伊斯坦布尔马尔马拉大学纯科学和应用科学研究所c土耳其伊斯坦布尔阿塔图尔克教育学院马尔马拉大学34722阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2018年2018年11月28日修订2018年11月29日接受在线提供2019年保留字：正弦PWM单极性电压开关双极性电压开关步进调制法全桥逆变器A B S T R A C T本研究的目的是调查低电平谐波含量与单极电压开关和双极电压开关的方法。因此，我们设计了一个单相全桥逆变器应用与脉宽调制（PWM）技术，通过外围接口控制器（PIC）微控制器。为了获得正弦控制信号和逆变器参数的控制，PIC16F877微控制器与逆变器一起使用，以执行这两种不同的技术。采用LCD控制显示和PICBasic Pro编程语言分别作为用户界面和微控制器编程。由于采用了PIC控制技术，减少了总谐波量，并设计了一个小型化的逆变器，具有很高的实时性，安全性和低成本。在本研究中，获得了控制软件的适当算法，并批准用于监督。利用软件对逆变器进行控制，实现标量控制和斜坡函数控制，并获得多个参数的正弦信号控制。介绍了应用系统的工作原理和设计电路最后，讨论和评价了应用系统运行状态的测量方法，©2019 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍随着半导体开关元件的发展，不同的控制方法也在不断发展。正弦脉宽调制是一种最受欢迎的脉宽调制技术，在工业上得到了广泛的应用。脉宽调制技术基于载波与参考正弦波的比较而起作用比较过程不能在微处理器上实现为自然这个问题可以通过对参考正弦波进行定期采样来克服。本研究主要针对全桥逆变器的输出频率与输出电压进行控制。两种不同的控制技术*通讯作者。电子邮件地址：ybirbir@marmara.edu.tr（Y. Birbir），volkan@marmara.edu.tr（V.Kanburoglu）。由Karabuk大学负责进行同行审查用于正弦脉宽调制（SPWM），例如如单极电压切换和双极电压切换。在系统和用户界面之间应用这两种控制方法。采用PIC Basic Pro编程语言实现了正弦信号的产生和输出电压的控制.作为我们实验的结果，获得了控制软件的最合适的算法，并被认为适合于控制。控制信号已经被施加到全桥逆变器的臂中对与逆变器输出相连的单相电机转矩的标量控制采用开环控制方法。标量控制的主要目的是保持v/f比恒定。变频器输出电压和频率值在0 - 220伏和0-400 Hz之间调整逆变器被编程用于实验测量。这一比率的执行情况为220/50 = 4.4。逆变器输出电压可调。根据该系数计算输出电压每个周期的三角波频率决定了开关半导体的数量。逆变器输出频率等于参考波的频率[2]。当调制频率增加时，输出电压由高频谐波组成，易于滤除此外，本发明还提供了一种方法，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.11.0142215-0986/©2019 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchY. Birbir等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）59259318开关损耗由于高频而增加。然而，缺点发生在6和20 kHz之间的开关频率值。在该范围内切换是不期望的，这是由于以下事实：人耳听到的这一范围的声音是噪音。2. 阶跃调制法PWM开关策略有两种不同的方法第一种是自然采样技术，广泛应用于数字和模拟系统。在数字或微处理机应用中所使用的高采样率技术称为规则采样技术.在该方法中，参考信号是以诸如图1所示的步骤的形式。1.一、由步骤组成的参考信号然而，正弦信号是通过划分成确定的间隔来获得的。首先为了获得正弦信号，确定了步数;随后增加了用于其定义的角度值的控制信号步例如，为了获得周期为20 ms、频率为50 Hz的18步正弦电压，角步增量等于360μm/ 20μ m。控制信号的幅度通过以下方式计算：控制信号的峰值在同一步中由角度的正弦值确定。因此，在每个步骤中，计算控制信号的幅度[3]。这种方法的输出电压具有比阶梯调制方法更小的谐波。3. Full brıdge <$nverter本节介绍了实施系统的工作原理。比较了单极性电压开关和双极性电压开关时逆变器输出电压的谐波。系统，安装，检查和电路的方便性再次修改[4]。在这种情况下，电路可以与已经设计的不同类型的卡一起操作。 这些电路也表示图1中的块。 二、4. Sıne振荡器卡正弦脉宽调制（SPWM）中载波信号与控制信号之间存在一定的比例关系。在应用中，对于400 Hz值的正弦信号的最大输出频率，该比率已降低到12。FC4800图二. 方框电路图。在微控制器和步进调制方法的帮助下，生成用于调整到期望值的控制信号的频率[5]。正弦信号的步数确定为30步。控制信号的输出值从微控制器以数字方式获得，并通过IC DAC-MC 1408转换为采用单极性电压切换的SPWM技术，对两个相位差为180°的不同信号，将输出电压反转，得到两个不同的信号[6]。此卡只产生图中的正弦波。3.第三章。频率和电压的控制由控制板执行而Mf<$fs<$400<$12Fig. 1. 阶跃调制图3.第三章。获得正弦信号。（该图显示正弦信号的步数被确定为30步，Mf = 12）。594Y. Birbir等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）592产生正弦波时，通过对PIC施加中断来找到所需正弦阶跃处的数值。该值作为输出传输到PIC的端口B获得的正弦电压的数字在该系统中，正弦信号的幅度是通过该集成电路来执行的。输出信号的最大峰值可以通过引脚14进行调整，因此逆变器输出电压的正弦波调整通过该引脚进行。采用比较器的方法获得了单极性电压开关PWM逆变器所需的另一个相位差为180°的正弦信号。这两个信号被传输到当前的satu-[7]第一次的考试成绩和成绩比较[7]。5. 三角振荡器卡施密特触发器电路U1D如图5所示。U1A是一个集成商。输出为方波关于U1D通过施加到U1A的输入端，方波信号被转换为三角波信号，U1A作为积分器工作[8]。 输出信号的频率由可调电阻R6设定。为了改变通过调整U1C运放的增益，将三角波信号的峰值电压设置为所需值（图1和图2）。 6和7）。6. 电流饱和度和门比较卡第一个正弦控制信号来自正弦振荡器卡，它被用作形成SPWM的主要控制信号（图4）。此外，除了正常正弦波外，第二个相位差为180°的正弦信号用于SPWM中的单极切换[9]。作为见图6。 得到三角波信号。三角波与正弦1和正弦2的比较结果，产生SPWM 1和SPWM 2信号，并将其发送到电流模式PWM控制器SG3843。该控制器电路中的电流反馈由过程变量（pv）引脚提供。控制器SG3843的电流限制阈值为1伏，该值存在于引脚3。该电压值由制造商规定。由于控制器的这一特性，要求的极限电流值根据该值通过校准确定。该电路中的电流控制通过脉冲到脉冲电流控制实现[11]。脉冲到脉冲电流控制系统允许一定的阈值电流流动。当控制器电流增加到过值时，控制器见图4。 正弦振荡器卡。图五. 三角振荡器卡。Y. Birbir等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）592595开关断开一定的时间段，并且在该时间段结束时，控制器再次切换控制器不干预，在SPWM信号，直到指定的极限值。控制器SG 3843输出SPWM信号后，由集成电路（U3D-U4 D）产生死区时间。在实践中，这段时间被计数为2lsn。单极开关或bipolar开关选项是通过继电器触点选择。在产生死区时间之后，从U6的栅极获得的控制信号已经被施加到NMOS驱动器。系统中的数字信号通过集成电路U6的使能引脚关闭[12]。7. 控制卡图中的控制板。 8承担了系统中的许多任务。PIC16F877单片机是用来完成这些任务的。然而，当执行保护过程时，微控制器的处理速度不足以保障操作。为此，优选限制可能的短路电流或过电流的这种情况，以便将该系统过程实现为模拟的。在系统微控制器中发生短路故障的情况下，向用户报告可能的短路条件[13]（图 9-12）。见图7。 电流饱和门比较器电路。见图8。 控制卡电路。596Y. Birbir等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）592见图9。 MOSFET驱动电路见图10。 电源电路卡。系统控制板- 用户和逆变器之间的操作所需的接口已经完成。- 根据所需的频率值，控制卡从PORTC.1引脚向正弦振荡器板发送中断在控制卡编程过程中，硬件中已编程的PWM信号频率没有改变。采用开环控制产生所需频率的正弦信号。- 逆变器产生输出电压。为此，引脚14逆变器MC1408DAC正弦振荡器卡是通过使用PWM信号，从引脚PORTC.2 nal馈给。- 对于电压控制反馈，信号以8位分辨率从PORT 2引脚读取为模拟信号[14]。- v/f提供逆变器的标量控制。- 逆变器采用单极性或双极性开关PWM技术。- 软启动功能可防止系统从网络中提取过浪涌电流。Y. Birbir等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）592597--见图11。 总谐波失真量（逆变器输出电流）。见图12。 总谐波失真量（逆变器输出电压）。- 可能的短路状态已显示在LCD屏幕上。8. MOSFET驱动器卡为了开启MOSFET，必须在栅极和源极尖端之间施加足够的正电压这个电压称为阈值电压。MOSFET IRFP460使用范围在2和4伏之间的阈值电压[15]。MOS管用作电压控制开关.在控制过程中必须考虑Mosfet的栅源电容。在实践中，为了控制TTL电平，生产集成电路。在这应用中，使用了IXYS Microchip公司生产的IXDD 414 PI和TC4422驱动器[16]。集成电路的引脚连接是相同的。它们之间唯一的区别是，在引脚3 IXDD414PI，EN必须保持空闲，而在TC4422它保持不变。为此，去除电阻R1就足够了。为了实现电源电路与控制电路的隔离，采用了6个N137光耦。逻辑控制信号通过光电耦合器反相，然后再反转，从而驱动MOS管.实际上，分别使用MOSFET A+、A、B+、B的四块驱动板[17]。9. 动力驱动卡桥式整流器连接到网络是过滤与电容器，电容器C5。在全桥中获得的直流电压通过继电器连接。该继电器将保持在关闭位置，直到逆变器软启动时间。因此，当逆变器被关断时，其状态保持断电，以防止MOSFET电路从电流传感器接收的信息必须是微控制器和模拟电路中必要的直流测量。电流传感器是ABB公司的产品输出信号是单向获得传感器不具有任何可以传递在相反方向上流动的电流的值的结构因此，电流信息连接到DC母线。为了方便校准电流值，在底盘和尖端M之间连接了一个电位计[18]。通过使用220/9V电压Transformer提供所需的电绝缘，并且还获得测量所需的电压。另一个外部二极管有30 A/600 V的价值，乌厄斯。DSEI 30 -0610. 实验测量逆变器输出电压的有效值增加到120 V和50 Hz，从图十三. 逆变器输出电压波形。598Y. Birbir等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）592图14. 总谐波失真量（逆变器输出电流）。实验波形300X作为电阻负载连接到逆变器利用谐波分析仪测量了实际电路的工作波形（图1和图2）。 13和16）。步骤1：双极电压开关PWM操作，具有电阻动态负载频率：50 Hz电压：120 V步骤2：单极电压开关PWM操作与电阻，tive负载。频率：50 Hz电压：120 V图15. 总谐波失真量（逆变器输出电压）。图16. 逆变器输出电压波形。11. 结论本研究包括全桥逆变器，这在工业上有广泛的应用。着重介绍了各种控制方法的工作原理和针对全桥逆变器功能，提出并实现了两种重点研究了全桥逆变器的输出频率和电压控制实验的目的是比较这两种技术和两种不同控制方法的实施（图1和图2）。14和15）。PWM开关作为第一种双极性控制方式，已被应用于全桥逆变器的输出。双极性PWM开关的输出波形形成为正、负交变的同值开关频率。系统的开关频率与三角波载波信号相同。图13示出了输出电压的谐波与幅度调制指数ma的关系。基波电压随ma线性增加。主谐波具有高幅值，其甚至高于基波电压。该谐波及其边带可以通过单极脉冲宽度调制方案来消除。第二种控制方法，逆变器输出，作为单极电压开关PWM操作。在单极开关的输出波形，不像双极开关的PWM，是不一样的载波频率。从输出端获得与控制信号等频率的正负交替。在这种开关技术中，即使MOSFET的开关频率值电路设计，实施，并在实验结束时，两种技术（单极双极）被发现有利弊性质相对于对方。双极性电压切换时逆变器输出波形与单极性电压切换时相比含有较高次谐波。这也意味着总谐波失真的量更大。采用单极性电压开关的SPWM比采用双极性电压开关的SPWM具有更好的谐波特性因此，单相逆变器通常采用单极性电压开关技术的SPWM作为Y. Birbir等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）592599在实验中，输出电压的总谐波失真量在0.7%和6.2%之间变化（在实验14）。逆变器输出电压总谐波畸变量不超过5%，因此可以认为应用是可行的。以50W阻性负载和50W罩极电机为负载，对逆变器样机进行了100W功率率的测试随着高速处理器的发展，全桥逆变器的控制最近开始通过数字实现来操作然而，微控制器PIC 16F877已被确定为不够快，在实践中被用来控制系统。为此，快速控制电路应用必须作为模拟应用。系统中使用的PIC16F877微控制器不足以如前所述控制系统。具有高处理能力微控制器的工业逆变器已用于工业目的。此外，微控制器对系统中的干扰敏感。由于这个原因，系统的输出被阻止达到高电流。与以前的应用相比，利用电子电路图和复杂.集成电子电路方面，PIC单片机比较适合电工学教学。学生可以通过PIC微控制器以20°的增量通过18个步骤更容易地演示正弦逆变器的创建由于工业中谐波含量低的正弦波形式的重要性，在他们的教育开始时，电气工程专业的学生比较逆变器开关的单极和双极开关是至关重要的，并且需要通过最有效的教学法来学习该技术。引用[1] G. Venkataramanan，D.M.张文，谐振直流环节变换器的脉宽调制，IEEE Trans.印第安纳Appl. 29（1）（1993）113Part：1.[2] S.J. Chiang，C.M.廖，单相三线制无变压器逆变器，IEEEProc. 电动电源应用 141（4）（1994）197-205。[3] W. Shireen，M.S. 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