毕业设计（论文）-基于单片机的单相逆变电源的设计.doc

毕业设计(论文)题 目： 基于单片机的单相逆变电源的设计 学 生： 学院(系)： 电子信息学院 专业班级： 电气 10801 指导教师： 辅导教师： 时 间： 2012.2.27-2012.6.10 目录长江大学毕业设计（论文）任务书I毕业设计开题报告II长江大学毕业设计(论文)指导教师审查意见III长江大学毕业设计(论文)评阅教师评语IV毕业设计（论文）答辩记录及成绩评定V摘要：VIAbstractVI1.前言12 选题背景22.1 目的和意义22.2 现阶段发展状况32.3 发展趋势及主要问题42.4 指导思想及技术要求63 总体方案设计73.1 逆变电路的选择与方案论证74 逆变电源设计过程94.1逆变电路设计94.2 滤波电路的设计134.3 电源的设计154.4 SPWM信号的产生195测试结果与分析235.1系统测试方案235.2系统测试步骤与仪器235.3系统的测试结果与分析235.4误差产生原因及改进办法246 总 结25参考文献26致 谢27附录1：28附录232附录333毕业设计任务书I长江大学毕业设计（论文）任务书学院（系）电子信息学院 专业 班级：电气10801 学生姓名 ：孙华洋 指导教师/职称 毛 玉 荣 副教授1 毕业设计（论文）题目 基于单片机的单相逆变电源的设计2毕业设计（论文）起止时间： 2012 年 2 月 日-2012 年6 月 日3毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）1、电力电子等书籍；2、cnki数据库4毕业设计（论文）应完成的主要内容 1、 逆变电路方案论证2、 逆变电路设计3、 电源设计4、 Spwm信号产生5、 滤波电路设计5毕业设计（论文）的目标及具体要求论文中应该体现： 具体的方案分析和论证 具体的硬件电路原理图与元器件选型 具体的软件设计（SPWM信号产生）6毕业设计（论文）所需的条件及上机时数所需条件：相关电子元器件等实验设备上机时数： 120学时任务书批准日期 年 月 日 教研室（系）主任（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 完 成 任务日期 年 月 日 学生（签字） 开题报告长江大学毕业设计开题报告题 目 名 称 ： 基于单片机的单相逆变电源的设计 院 （系） ：电子信息学院 专 业 班 级 ：电气10801 学 生 姓 名 ：孙华洋 指 导 教 师 ：毛玉荣老师 辅 导 教 师 ：毛玉荣老师 开题报告日期 ：2012.3.10 基于单片机的单相逆变电源的设计一、题目来源 生产实际二、研究目的和意义 1.可灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率通过控制回路，我们可以控制逆变电路的工作频率和输出时间的比例，从而使输出电压或电流的频率和幅度按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。 2.可明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料在很多用电设备中，变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量，如果我们将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器绕组匝数与有效面积之积就会明显减小，变压器的体积和重量明显地减小了。 3.动态响应快，控制性能好，电气性能指标好，由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性好，表现为：对电网波动的适应能力强，负载效应好，启动冲击电流小，超调量小，恢复时间快，输出稳定，纹波小。 4.电源故障保护快，由于逆变器工作频率高，控制速度快，对保护信号反应快，从而增加了系统的可靠性。另外，现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载要求，一个特定用途的电源，应当具有特定的负载性能要求和外特性，同时还应当具备安全、可靠、高效、高功率因数、低噪音的特点，另外，无电磁干扰、无电网污染、省电节能也是我们应当认真考虑的设计要求。 三、阅读的主要参考文献及资料名称：1 魏伟. 正弦波逆变电源的研究现状与发展趋势J.电气技术, 2008，(11).2 谈扬宁，朱兆优，王海涛.基于PICFxx单片机控制的正弦波逆变电源J. 电子元器件应用, 2009，(08).3 杨庆江,李晔,包西平. 一种应用于独立光伏系统的新型逆变器J. 太阳能, 2007,(01).4 赵建武. 单相SPWM逆变电源仿真设计J. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2008,(03).5 张竹，张代润，何易桓，王超. 一种多功能逆变电源的设计与实现J. 电源世界, 2009，(01).6 电力电子技术.廖冬初，聂汉平主编.华中科技大学出版社.2007，（09）.7全国大学生电子设计大赛培训系列教程模拟电子线路设计.高吉祥主编.2007，（05）.diaM100ng 8单片机原理使用教程基于Prpteus虚拟仿真.徐爱钧主编.电子工业出版社.2010，（01）.9C程序设计第三版.谭浩强主编.清华大学出版社.2005，（07）.10信号与系统基础.金波主编.华中科技大学出版社.25006，（05）.11 廖家平，袁兆梅，张治国.基于单片机PWM 控制逆变电源的设计TM.2006，（5）.12 李娜，邵利敏，赵秋霞，郭燕霞.基于16位单片机的逆变电源系统的设计TM.2007，（10）.13 陈晓萍，王念春，马玉龙.基于PIC单片机的SPWM控制技术.2006，（09）.14 周俊杰,钱晓耀,陈上挺.一种基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源TM.2008，（04）.15 基于STC系列单片机的SPWM波形实现.2007，（12）.16 自制12V转交流220V逆变器.2010，（09）.17 张峻岭.逆变电源稳定性分析TM.2006，（01）.18 陈维,郭必广.正弦逆变器输出短路过流保护设计.200919.现代逆变技术及应用 刘凤君 ，电子工业出版社、2006.9四、国内现状和发展趋势与研究的主攻方向： 逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳定恒频的交流输出。逆变电源技术是一门综合性的争业技术，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域 逆变电源是一种交流输出电源，按照输出电压的相数分类，逆变电源可分为单相逆变电源盒三相逆变电源，三相逆变电源按照输出有无中线也可分为三相三线制逆变电源盒三相四线制逆变电源，按照逆变电源的额定输出功率来分类，逆变电源可分为小容量逆变电源（0.510KVA），中等容量逆变电源（1050KVA），大容量逆变电源（50KVA以上）。五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路 1.逆变电路的设计。图所示为典型的交流输入、输出隔离型逆变电源主电路的基本构成，从图中可以看出 逆变电源的能量转换过程是：输入的工频交流电经过整流电路成为直流电，直流电通过 逆变电路变为交流信号波，其基波频率是逆变电源的输出频率，该信号经输出 变压器隔离。再由滤波器滤成正弦波。这一能量转换、传递的过程通常表示为 。直流输入、输出隔离型的逆变电源结构和图一基本相同，只是不再需要 输入端的整流电路，能量转换传递的过程可表示为。在逆变电源中，逆变器 及其控制是逆变电源的核心。图1 典型的逆变电源主电路图 2滤波电路的设计。设计滤波器时 , 应主要考虑以下内容 : (1) 输入电流和输出电压的THD或单次谐波含量均应降低到允许的范围；(2)不致过分增加整机的设计容量 , 即滤波电容不会过多增加功率开关电流 ; (3) 滤波电感基波压降小 , 负载变化所引起的输入、输出电压波动小 ;（4）滤波器体积、重量小、成本低。考虑到成本和体积, 拟采用 Lc 单级滤波器作为滤波部分 。 3.SPWM设计实现 SPWM 波形产生的流程图如图2所示。 图2 SPWM波形产生的流程图 正弦调制波的产生是通过查正弦函数表来完成的。在SOPC芯片内部开辟了一块ROM区域，将离散时间正弦波幅值存入其中。在需要时，按照相位与地址一一对应的关系从表中依次读出即可。将经分频后的时钟送入正弦调制波发生器，而载波发生器选用的时钟是原时钟，从而实现了 N 载波比。正弦波与载波送入数字比较器，直接比较可得到脉冲宽度调制波形。此方案简单，易于控制，而且载波比可调。六、完成毕业设计所必须具备的工作条件及解决的办法 需要单片机，微机以及一些相关的电子元器件等设备七、工作的主要阶段、进度和时间安排2011.12.252012.3.12 ：撰写开题报告2012.3.132012.4.1： 做外文翻译2012.4.22012.5.31： 理论了解及实际操作2012.6.12012.6.10： 撰写论文2012.6.112012.6.15： 论文修改和定稿20126.15后： 审查，做好答辩准备，答辩八、指导教师的审查意见 II指导教师审查意见长江大学毕业设计(论文)指导教师审查意见学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目指导教师职 称评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分III评阅教师评语 长江大学毕业设计(论文)评阅教师评语学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目 评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分IV答辩记录及成绩评定 毕业设计（论文）答辩记录及成绩评定学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)V中文摘要基于单片机的单相逆变电源设计学生：孙华洋 电子信息学院老师：毛玉荣 电子信息学院摘要：逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。与此同时应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求， 因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。随着数字信号处理技术的发展，以SPWM控制方式设计的逆变电源越来越受到青睐。本论文叙述的就是一种基于51系列单片机设计的SPWM逆变电源。该电源以18 V直流电压为输入，通过升压环节与SPWM逆变环节，得到了设定频率与电压的优质正弦交流电。它采用MOSFET 作为功率器件，IR2110 作为MOSFET 的驱动芯片，并采用恒 U/F 的控制策略;逆变部分采用单片机数字化SPWM控制方式，以尽可能地减少谐波。由于采用了基于单片机的数字化技术,使得电源调节灵活、性能可靠,为性能要求高的仪器设备提供了一种高品质的交流电源。关键词：单相逆变器 SPWM 单片机VI英文摘要Design of a Single-phase Inverter Power SupplyStudent: Sun Huayang College of electronic informationTeacher: Mao Yurong College of electronic informationAbstract: Inverter is a kind of using power electronic technology for electric power transformation device,it from ac or dc Input voltage of exchange obtained constant frequency output. With the development of the power electronic technology, the application of inverter power supply is more and more extensive,it across the electric power, electron, microprocessor and automatic control multi-disciplinary field, is one of the hotspots of the power electronics industry and scientific research. Meanwhile application system subsequently put the output voltage waveform characteristics of inverter power supply forward more and more high demand, because the power output waveform quality directly relates to the whole system safety and reliability index.Along with the digital signal processing technology development, the control mode design with SPWM inverter power supply more and more be favorred.This article describes a SPWM inverter power supply based on the 51 series microcontroller. The power input is 18 V dc voltage, through pressurization link and SPWM inverter link, got sinusoidal alternating current of the proset frequency and setting quality voltage. It uses MOSFET as power devices, IR2110 as drive chip, and the MOSFET using constant U/F control strategy; The inverter part adopts single-chip microcomputer digital SPWM control mode, to reduce the harmonic as possible. Because of the use of digital technology based on single chip, makes power adjustment flexible and reliable performance, for the equipment of high performance requirements provides a high quality ac power.Key word:Single-phase inverters SPWM singlechip前言1.前言 随着工业技术的飞速发展，自动控制技术和电力电子技术的重要性得到了广泛的提高。逆变电源是结合二者的产物，它的作用是把从电网上得到的质量较差的恒频恒压交流电能或者直流蓄电池电能，太阳能电池能等变换为电能质量较高的，输出电压和频率稳定的交流电能，提供给交流电机的传动、变频电源、有源滤波器和电网无功补偿器等使用。逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置。随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，但应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求，因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。随着现代科技的发展, 逆变电源广泛应用到各行各业,进而对其性能提出了更高的要求。传统的逆变电源多为模拟控制或数字相结合的控制系统。好的逆变电源电压输出波形主要包括稳态精度高, 动态性能好等方面。目前逆变器结构和控制, 能得到良好的正弦输出电压波形, 但对突变较快的波形, 效果不是很理想。随着数字信号处理技术的发展，以SPWM控制方式设计的逆变电源越来越受到青睐。本论文叙述的就是一种基于51系列单片机设计的SPWM逆变电源。该电源以18 V直流电压为输入，通过升压环节与SPWM逆变环节，得到了设定频率与电压的优质正弦交流电。它采用MOSFET 作为功率器件，IR2110 作为MOSFET 的驱动芯片，并采用恒 U/F 的控制策略;逆变部分采用单片机数字化SPWM控制方式，以尽可能地减少谐波。由于采用了基于单片机的数字化技术,使得电源调节灵活、性能可靠,为性能要求高的仪器设备提供了一种高品质的交流电源。本文介绍的SPWM逆变电源就是采用51单片机来实现SPWM控制和正弦波方式输出，而且电路简单，性能安全可靠，灵活性强，同时可以降低谐波，提高效率。第1页（共38页）基于单片机的单相逆变电源的设计2 选题背景2.1 目的和意义逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。随着电力电子技术的发展， 逆变电源的应用越来越广泛，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。相应的应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求， 因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。逆变电源技术是一门综合性的专业技术，逆变电源作为一种产生交流电的装置，它具有以下优点：变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电，也能将三相交流电转换为单相交流电；逆变电源能将直流电转换为交流电；逆变电源能将低质量的市电转换为高质量的稳压稳频的交流电。21世纪是能源与环保的世纪。能源的开发、资源的利用与环境保护相互协调的发展，是21世纪世界经济发展的基础。在这个世纪里，节省能源与开发新能源，提高燃料的利用率与减少燃料产生的污染已成为必须要解决的重要课题。尤其其中的逆变技术，它的作用是从市电电网上得到已遭污染的定压定频交流“粗电能”，或从蓄电池、太阳能电池、燃料电池等得到的电能质量比较差的直流原始电能，变换成电能质量较高、较能满足用户负载对电压和频率要求的交流电能。鉴于逆变电源优点很多，逆变电源将逐渐取代旋转型变流机组。随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。逆变就是对电能进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变换成交流电的功能。现代逆变技术是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的学科，这门学科综合了现代电力电子开关器件技术、现代功率变换技术、模拟和数字电子技术、PWM技术、开关电源技术和现代控制技术等多种实用设计技术，已被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。第2页（共38页）选题背景2.2 现阶段发展状况逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20 世纪60 年代，到目前为止，它已经历了三个发展阶段。第一代逆变电源是采用晶闸管(SCR)作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型变流机组，但由于SCR 是一种没有自关断能力的器件，因此必须增加换流电路来强迫关断SCR，但换流电路复杂、噪声大、体积大、效率低等原因却限制了逆变电源的进一步发展。第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。自20 世纪70 年代后期，各种自关断器件相运而生，它们包括可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能，逆变器采用自关断器件的好处是：简化了主电路。由于自关断器件不需要换流电路，因而主电路得以简化、成本降低、可靠性提高；提高了性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而使逆变桥输出电压中低次谐波含量大大降低，因而使输出滤波器的尺寸得以减小，逆变电源的动态特性及对非线性负载的适应性也得以提高。在自关断器件当中，IGBT以其开关频率高、通态压降小、驱动功率小、模块的电压电流等级高等优点已成为中小功率逆变器的首选器件。IGBT逆变电源已成为中小型逆变电源的主流。第二代逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的S P W M 控制技术。第二代逆变电源所采用的控制方法具有结构简单、容易实现的优点，但由于它所采用的S P W M 控制技术只注重如何通过恰当设计开关模式来实现逆变器输出频谱的优化，没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，所以存在以下缺点：对非线性负载的适应性不强。当逆变电源输出带非线性负载时，负载电流中的低次谐波电流将流过电源的内阻，引起输出电压波形畸变；死区时间的存在将使S P W M 波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压波形发生畸变；动态特性不好。负载突变时输出电压调整时间长。之所以出现这种情况，是因为系统中仅存在电压平均值或有效值反馈，而没有瞬时值反馈；给定电压与输出电压之间的相位差受负载影响较大，在三相电源中，三相输出之间的相差不易满足120要求。第三代逆变电源采用了实时反馈控制技术，使逆变电源的性能得到提高。实时反第3页（共38页）基于单片机的单相逆变电源的设计馈控制技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动态特性不好的缺点提出来的，它是近十年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实时反馈控制技术多种多样，主要有以下几种5-9：重复控制；谐波补偿控制；无差拍控制；单一的电压瞬时值控制；带电流内环的电压瞬时值反馈控制。其中以第五种控制方法因实现方便，逆变电源动态性能优越和对负载的适应性强等优点而被广泛采用。2.3 发展趋势及主要问题一、在电力电子技术的应用及各种电源系统中，变频电源技术均处于核心地位。近年来，现代变频电源技术发展主要表现出以下几种趋势：(1) 高频化 提高变频电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，为了进一步减小装置的体积和重量，去掉笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时改善了输出电压的动态响应能力。(2) 高性能化高性能主要指输出电压特性的高性能，它主要体现在以下几个方面:稳压性能好，空载及负载时输出电压有效值要稳定；波形质量高，不但要求空载时的波形好，带载时波形也好，对非线性负载性要强；突加或突减负载时输出电压的瞬态响应特性好；电压调制量小；输出电压的频率稳定性好；对于共相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。(3) 模块化当今逆变电源的发展趋向是大功率化和高可靠性.虽然现在已经能生产几千KVA的大型逆变电源，完全可以满足大功率要求的场合。但是，这样整个系统的可靠性完全由单台电源决定，无论如何可靠性也不可能达到很高。为了提高系统的可靠性，就必须实现模块化，模块化意味着用户可以方便地将小容量的模块化电源任意组合，构第4页（共38页）选题背景成一个较大容量的变频电源。模块化需要解决逆变电源之间的并联问题，变频电源的并联要比直流电源的并联复杂，它面临着负荷分配、环流补偿、通断控制等多方面的问题。 (4) 数字化现在数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高系统抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调、也便于自诊断，容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。 (5) 绿色化绿色电源的含义有两层:首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。提高输入功率因数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环保和节能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。提高功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较先进的方法是:单相输入的采用有源功率因数校正技术，三相输入的采用SPWM高频整流提高功率因数。今后电源技术将朝着高效率、高功率因数和高可靠性方向发展，并不断实现低谐波污染、低环境污染、低电磁干扰和小型化、轻量化。从而为今后的绿色电源产品和设备的发展提供强有力的技术保证，这也将是现代电源发展的必然结果。二、变频电源数字化发展存在的难点数字化是变频电源发展的主要方向，但还是需要解决一下难题:(l) 变频电源输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般的开关电源的常值控制。在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位差，这种相位差与负载是相关的，这就给控制器的设计带来了困难。(2) 变频电源输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压的波动幅值和负载的性质，大小的变化范围往往比较大，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对象模型的高阶性、不确定性、非线性显著增加。(3) 变频电源电力电子变换装置是一个离散的、耦合的、非线性的动态系统。要满足负载对电源的静态指标和动态指标要求，一般地将电力电子变换装置设计成一个闭环自动控制系统。工程技术人员对线性系统的校正与综合比较熟悉，对这样的系统第5页（共38页）基于单片机的单相逆变电源的设计控制有些力不从心。因此，如果能建立系统的数学模型，特别是从控制到输出之间的传递函数，则有助于工程技术人员的设计和系统分析，减少盲目选择参数的调试时间，解决本质非线性系统的线性控制问题。2.4 指导思想及技术要求逆变电源主电路选用单相全桥逆变电路，采用单片机来实现SPWM数字化调制控制，该电源调节灵活，性能稳定可靠，效果很好。技术要求：（1）具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：RS和RL在给定范围内变化时，使，相对偏差的绝对值不大于1%。（2）具有频率跟踪功能：当fREF在给定范围内变化时，使uF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。（3）当RS=RL=30时，DC-AC变换器的效率60%。（4）当RS=RL=30时，输出电压uo的失真度THD5%。 （5）具有输入欠压保护功能，动作电压Ud(th)=(250.5) V。（6）具有输出过流保护功能，动作电流Io(th)=(1.50.2) A。第6页（共38页）总体设计方案3 总体方案设计3.1 逆变电路的选择与方案论证逆变电源的主电路基本就是有整流器，逆变器，变压器，LC滤波器组成。图 3 典型的逆变电源主电路DC-AC变换器的方案论证和选择方案一：半桥式DC-AC变换器。在驱动电压的轮流开关的作用下，半桥电路两只晶体管交替导通和截止，它们在变压器T原边产生高压开关脉冲，从而在副边感应出交变的方波脉冲，实现功率转换。半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次侧，这导致电流峰值增加，因此半桥电路只在500W或更低输出功率场合下使用，同时它具有抗不平衡能力，从而得到广泛的应用。半桥式拓扑结构原理图如下图图4 半桥式电路结构图第7页（共38页）基于单片机的单相逆变电源的设计方案二：全桥DC-AC变换器。全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为Vin的交流电压，加在变压器一次侧。改变开关的占空比，也就改变了输出电压Vout。全桥式电路如下图所示。图5 全桥式电路结构图方案比较：方案一和方案二都可以作为DC-AC变换器的逆变桥，由两者的工作原理可知，半桥需要两个开关管，全桥需要四个开关管。半桥和全桥的开关管的耐压都为VDC，而半桥输出的电压峰值时1/2VDC，全桥输出电压的峰值时VDC，所以在获得同样的输出电压的时候，全桥的供电电压可以比半桥的供电电压低一半，出于这点的考虑，所以采用方案二第8页（共38页）逆变电源设计过程4 逆变电源设计过程4.1逆变电路设计4.1.1 逆变电路的设计逆变电源的主电路部分是一个单相全桥SPWM逆变器，其基本电路结构如下图所示图6 逆变电源主电路结构由于逆变器两桥臂输出的波形为PWM波形，因此桥式电路可等效视为电容两端加了一个输出单极性SPWM脉冲波的电压源Uin。同时，系统的负载类型不定，考虑到环节的负载效应，将负载的扰动电流I。也视为输入电源。通过上述等效，整个电路可等效视为下图所示电路第9页（共38页）基于单片机的单相逆变电源的设计 图7 主电路等效结构图在此模型中，对电路进行了理想化的假设：1 直流母线电压Udc为恒定不变的；2 功率开关管为理想器件；3 输出电压基波频率及LC滤波电路自然震荡频率远低于开关频率。以流经滤波电感的电流IL和滤波电容两端电压UC为状态量，可得上述模型在连续状态下的状态方程： 将上述方程转化为复频域形式，可推到出系统的状态方程图，如下图所示 图8 系统的状态方程其中，根据SPWM波形调制规律，输入Uin为：第10页（共38页）逆变电源设计过程式中：Um-调制信号幅值（V） Uc-三角载波信号峰值（V）由图3，可得出系统的传递函数：从传递函数可以看出，这是一个二介滞后系统。4.1.2 逆变电路的结构图 9 逆变电路的图形在电路中输入为VD=350 V DC，输出为220 VAC 50 Hz，输出功率为P=2 000 W，功率因数为cos =1。则电路各元件选取如下。4.1.3 开关管和二极管的选择(1)开关管的选择最大输出情况下，电流有效值为 (1)开关管额定电流 (2)第11页（共38页）基于单片机的单相逆变电源的设计开关管额定电压 (3)(2) 二极管的选择额定电压 (4)最大允许的均方根正向电流 (5)二极管的额定电流为(6)4.1.4 并联电容的选取在功率因数为1的情况下，等效的滤波电路的负载电阻为 (7)周期为(8)则电容为第12页（共38页）逆变电源设计过程4.2 滤波电路的设计设计滤波器的时候，应主要考虑一下的类容：（1）输入电流和输出电压的THD或单次谐波含量均应降低到允许的范围；（2）不致过分增加整机的设计容量，即滤波电容不会过多增加功率开关电流；（3）滤波电感基波压降小，负载变化所引起的输入，输出电压波动小；（4）滤波器体积、重量小，成本低。 考虑到成本和体积，拟采用LC单级滤波器作为滤波部分。单级LC滤波部分。单级LC滤波器k次谐波的等效电路如下图所示。 图10 单级LC滤波器K次谐波等效电路 电源侧第k次谐波电流有效值相量为： 其中，k为谐波次数，w=2/Ts为脉动电流的基波角频率，亦即逆变器的开关角频率，Idk为逆变器的输入电流的n次谐波有效值。为LC输入滤波器的谐振角频率。 电源内阻很小，可忽略不计。则由上式可得 由此可见，谐波次数越高，对应的电源侧谐波次数的分量就越小，并且，在脉动直流电流基波角频率不变的情况下，可以通过增大滤波电感L，滤波电容C来降低电源侧谐波电流（即减小输入滤波器的谐振角效率wr，从而减小wr/w的值）。在当前设计中：为了使wr/w足够小，可取：第13页（共38页）基于单片机的单相逆变电源的设计此时，滤波器的截止频率远小于开关频率（20KHz），并且大于输出电压的基波频率，经计算，其为100Hz。由此可得：LC=2.5X10-6对于电感、电容各自参数的选取，一般以电感为主进行设计。如果电感选取过大，则影响输出电流的跟踪速度，使得系统动态响应过慢，降低稳态精度；而电感选取过小，则使输出电流的开关纹波加大，必然增大磁带损耗，同时也使波形变差，增大输出电流波形的THD。电感设计首先要满足电流上升率的要求： 由此可以确定电感的最大值。在由电流最大纹波的限制，可得到电感量的最小值，通过这两个约束条件可计算出L的范围。通过仿真中进一步调试，最终选取滤波电感L=2.5mH。再根据LC滤波器已确定的截止频率，可计算出滤波电容C=1000uF。第14页（共38页）逆变电源设计过程4.3 电源的设计 4.3.1 利用7805稳压器1.7805概述 7805是我们最常用到的稳压芯片了，它的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源，它的输出电压为5V。它有很多的系列如：ka7805，ads7805，cw7805等，性能有微小的差别，最常用的是lm7805，下图为其结构见图： 图11 其中1接整流器输出的+电压，2为公共地（也就是负极），3就是我们需要的正5V输出电压了。2.基本参数： 输出电压：4.75-5.25V； 静态电流：4.2-8mA； 输出噪音电压：40uA； 纹波抑制比：78dB； 输出电阻：17m； 输出电压温度系数：-1.1mV/；3.基本特征： 输出电流可达1.5A 不需外接补偿元件 内含限流保护电流，防止负载短路烧毁元件 内含结温过热保护电路，防止结温过热烧毁器件 内含功耗限制电路，防止烧毁输出驱动器晶体管4.7805典型应用电路： 第15页（共38页）基于单片机的单相逆变电源的设计（1）+9V电池供电的proteus仿真： 图12 9V电池供电仿真图 （2）220V交流电源供电： 图13 220交流电源供电仿真图其中，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。Proteus仿真结果： 图14 仿真结果第16页（共38页）逆变电源设计过程5.注意事项 在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当功率小的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A以上的电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需要注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批。4.3.2 利用LM336-5.0精密基准电压源：（1）、概述： LM236/LM336集成电路是精密的并联稳压器，其工作相当于一个低温系数的、动态电阻为0.6的5V齐纳二极管，其中的微调端（adj）可以使基准电压和温度系数得到微调。它的典型性能有： 可调范围是：4V-6V 低温度系数 动作电流范围：600Ua-10mA 0.6的动态电阻 温度稳定性好（2）、典型应用电路： 图15 图16 第17页（共38页）基于单片机的单相逆变电源的设计 上图15是LM336系列的基本应用电路，图中的10k电位器可用来调节击穿电压而不影响器件的温度系数。 上图16中，10k电位器的上、下端各串联两个硅二极管时，可以改善温度系数。第18页（共38页）逆变电源设计过程 图17 图18 上图17为低噪声5V稳压电路。 上图18为宽输入电压范围的5V稳压电路。 第19页（共38页）基于单片机的单相逆变电源的设计4.4 SPWM信号的产生4.4.1 SPWM产生原理 SPWM即正弦波脉宽调制，是把一个正弦波分成N个等幅而不等宽的方波脉冲，每一个方波的宽度与其所对应时刻的正弦波的值成正比，这样就产生了与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波。 从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各个开关器件的通断的依据，但较为实用的办法是引用“调制”这一概念，以期望的波形（在这里是正弦波）作为调制波，而受它调制的信号称为载波。在SPWM中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，如图1所示。 图19 正弦波脉宽调制波形 4.4.2 SPWM规则采样原理 三角波为载波，正弦波为调制波，设调制正弦波的幅值为Usm，三角载波的幅值为Utm，则调制度为M=Usm/Utm,改变M得知可以改变输出脉冲宽度，从而调节输出电压的大小。若Utm取值为1，则正弦调制波Us可用下式计算 Us=Msinw