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毕业设计说明书车载逆变电源系统研究与设计学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015 年 06 月中北大学2015届毕业设计说明书车载逆变电源系统的研究与设计 摘 要 这几年来，汽车已经由代步工具发展成不可缺少的办公娱乐的交通工具；例如有常见的车载电视，车载音响，车载电脑等电气产品成为人们的需求，它们基本都需要220V/50Hz的正弦交流电供电。逆变电源可以将12V的直流电压转变成220V/50Hz的交流电。可以供一般电器产品使用，而正常的小汽车的蓄电池只能提高12V的直流电压。因此想要提高汽车的水平，研究一款性能好的车载逆变电源是具有非常重要的意义。车载逆变电源系统主要是以纯正弦波的集成芯片为主控芯片来控制。本课题经研究决定设计一种以单片机为主控芯片的两级式级联车载逆变电源。前级升压电路采用AT89C51为主控芯片，使用推挽拓扑结构，利用高频变压器进行隔离。设计了相应的保护电路，并讲述了部分元器件的选型。系统后级逆变电路主要有硬件和软件两个设计部分，后级逆变电路采用PIC16F877A为主控芯片。采用SPWM控制技术,结合死区产生电路及驱动电路,对单相全桥逆变电路进行控制。并且还对输出过流、桥臂短路保护电路,缓冲吸收电路进行了设计。在软件设计部分,利用单片机实现了 SPWM触发波形的生成及输出电压的闭环反馈,并且电池欠过压、输出过流、桥臂短路的检测保护动作也由软件来实现。最后，对本课题的方案进行仿真验证分析。实验结果表明,该系统的控制方案稳定、可靠,并且该逆变电源具有体积小、散热好、噪声小、易启动的特点,既便于安装也适合产品化生产。关键词:逆变电源;升压;推挽拓扑;全桥逆变;SPWMThe research and design of automotive inverter power supply system Abstract Over the past few years, the car has developed from a transport into office entertainment indispensable means of transport;Have common car TV, for example, car audio, car computers and other electrical products become the demand of people, they generally need 220 v / 50 Hz sinusoidal ac power supply.Inverter power supply 12 v dc voltage can be turned into 220 v / 50 Hz alternating current.Can be used for general electric products, and the normal car battery can only improve the 12 v dc voltage.So want to improve the level of car, research the vehicle-mounted inverter power source is a good performance has very important significance.Car is mainly pure sine wave inverter power supply system of integrated chips as the main control chip to control.This topic research decided to design a kind of with the single chip processor as the main control chip of two levels of cascading vehicle-mounted inverter power supply.Level before the booster circuit adopts AT89C51 as main control chip, using push-pull topology, using high-frequency transformer isolation.The use of dc bus voltage negative feedback to ensure the busbar voltage setting range, also designed the corresponding protection circuit, and tells the story of some components selection.System level inverter circuit mainly have two design of hardware and software part, grade after inverter circuit USES PIC16F877A as main control chip.Using SPWM control technology, combined with dead zone generating circuit and driver circuit, the single phase full bridge inverter circuit to control.And also the output short circuit protection circuit, over-current, bridge arm buffer absorbing circuit design.Using single chip computer in the software design part, realized the generation of SPWM waveform triggered and output voltage of the closed-loop feedback, and battery owes overvoltage, output flow, the bridge arm short circuit detection protection action by the software to achieve.Finally, the simulation analysis of this project solution.The experimental results show that the control scheme of the system is stable, reliable, and the inverter power supply has small volume, good heat dissipation, the characteristics of low noise, easy to start, convenient for installation and suitable for the transition of production.Key words: inverter power supply， boost; push-pull circuit，full-bridge invertercircuit; SPWM中北大学2015届毕业设计说明书目 录1 概述11.1 课题的背景与意义11.2 课题的国内外研究及发展现状11.3 本文的主要研究内容22 系统的设计方案选择32.1 系统的参数选择32.2 系统的拓扑结构选型33 硬件设计53.1 推挽电路的工作原理53.2 推挽电路的元器件选型63.2.1 功率开关管选型63.2.2 整流二极管选型73.2.3 滤波器的设计83.3 高频变压器的设计83.3.1 磁芯型号的确定83.3.2 绕组线径的确定93.3.3 高频电压器的绕制103.4 推挽拓扑控制电路113.4.1 AT89C51芯片113.4.2 AT89C51控制电路设计113.5 后级逆变电路（DC/AC）设计与实现113.6 全桥逆变电路的工作原理113.7 全桥逆变电路的元器件选型133.7.1 功率开关管选型133.7.2 输出滤波器的设计13第页 共页3.8 SWPM触发波形的产生163.8.1 SPWM波形产生原理163.8.2 单片机相关模块的配置163.9 驱动电路设计163.10 保护电路设计183.10.1电池欠压保护设计183.10.2 过流保护电路设计193.11 输出电压反馈电路设计193.12 单片机外围电路设计203.12.1 复位电路与震荡电路设计213.12.2.总电路图设计224 软件设计234.1 程序流程图235 仿真设计265.1 Proteus仿真265.1.1 PWM波形仿真265.1.2 SPWM波形仿真275.3仿真结果分析27总结29参考文献30致谢326第页 共页1概述1.1课题的背景与意义逆变电源是电源系统的重要组成部分.它在很多领域有着广泛的应用，其车载逆变电源的研究则对汽车有着关键的作用，其性能的好坏会影响到系统的安全性和可靠性。随着电子信息产业的发展，逆变电源的作用越来越重要，现代电子设备不可缺少的重要组成部分，逆变电源已经成为一个很重要的研究领域。于此同时，随着电力电子技术和控制技术的发展，逆变技术的要求也越来越高。 根据我国汽车行业的发展，车载电子产品变得越来越丰富，对于电源的需要也越来越多元化，但汽车本身的高稳定性和高可靠性要求和恶劣的工作环境是一对很突出的矛盾，并且，这些车载设备工作空间小，干扰大，这更是对汽车用逆变电源提出了更高的要求：逆变电源除了具备好的电气特性外，必须做到尺寸小、重量轻、抗干扰强等，还一定具备完的保护功能和优良的电磁兼容性1-2。如今世界各地的汽车正大行其道，涉及到逆变器关于操作和电池的使用要求，也防止过多汽车故障的条件下只需断开机器是不够，得通过控制逆变器功率半导体后故障的检测才行3。因此，对车载逆变电源研究和设计是很重要的。1.2课题的国内外研究及发展现状我国的汽车行业发展处在加速阶段，尤其是广东地区，而与之相关的车载电子设备的发展每天都在变化，对车载逆变电源的需求更是非常迫切。而国内厂家生产的逆变电源大多只是针对普通产品，汽车车载的专用逆变电源比较缺乏。核心技术也多是引进国外，在具备高性能的开关器件的前提下，通过研究与之相适应的电路拓扑结构与开关控制方式，就可以构造出性能优良的变流装置4。如今，大多数传统逆变汽车逆变器组成了直流直流转换器和DCAC逆变器。直流/交流逆变器必须有一个高电压转换比直流/直流转换器在前端。推挽拓扑结构广泛应用于直流/直流转换器。直到现在,各种推拉拓扑。研究集中在添加活动夹紧制动装置(ACS)或利用LC实现零电压谐振场效电晶体或佐二极管5。 所以，现在我们是学习国外的有关车载逆变电源的核心技术，结合国内现有技术和条件研究适合目前的车载逆变电源系统。第 1 页 共 31 页1.3 本文的主要研究内容第1章是概述。主要介绍课题的背景和意义已经国内外发展的现状。第2章是系统设计方案的选择。介绍了系统的参数要求以及拓扑结果选型。第3章是硬件设计（1）前级升压电路（DC/DC）的设计与实现。介绍了推免电路的工作原理分析以及元器件选型。重点讲述了推免拓扑和直流母线电压的控制电路设计。（2）后级逆变电路(DC/AC)的设计与实现。首先介绍了全桥逆变电路的工作原理以及它的元器件的选型，然后是SPWM触发波形的生成，然后是死区产生的电路与驱动电路设计以及保护电路设计等。第4章是软件设计。介绍的是程序流程图和系统的控制方法。第5章是仿真结果分析，对本课题的有关电路进行仿真并分析最后就是总结与展望，还有参考文献。 2系统的设计方案选择2.1系统的参数要求考虑到车载逆变电源的整体的性能、安全性以及体积大小的问题，以及使用环境和发展趋势，将系统的设计参数确定为：（1）直流输入电压：10-15V（2）交流输出电压：210-230V（3）输出电压频率:49.8-50.2Hz（4）输出功率：500W（5）转换效率:大于等于90%（6）波形畸变率：小于等于5%2.2系统拓扑结构的选型本课题采用的是先升压后逆变输出的两级式级联结构，前级升压电路采用推免拓扑结构，后级逆变电路采用单相全桥拓扑结构。由系统的硬件结构框图2.1所示。前级升压电路的主控芯片为AT89C51，AT89C51是一种固定频率脉宽调制电路，它包含开关电源控制所需的全部功能，广泛运用与桥式单端正激双管式、半、全桥式开关电源。内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可以通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。内置误差放大器、内置5V参考基准电压源、可调整死区时间和内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。具有推或拉两种输出方式。后级逆变电路使用单片机PIC16F877A为主控芯片来对单相全桥逆变电路进行控制。PIC16F877A是一种高速、低功耗与超强抗干扰的新一代8051单片机。它多了两个定时器，带PWM功能，有8路10位AD转换器。这样可以大大降低设计的成本。同时单片机还可以处理输出电压、输出电流、电池电压的实时采样信号以及桥臂短号保护的检测信号。这样就保证了系统的正常运行。直流电压输入推挽拓扑DC-DC全桥逆变DC-AC滤波器输出PC817与TL431组成的反馈电路驱动电路单片机控制电路桥臂短路保护电路图 2.1 系统的结构框图3硬件设计3.1推挽升压电路的工作原理推挽升压电路的工作原理：利用两只功率管组成的“推挽输出电路”，推挽升压电路输出的波形为正负对称的，根据线路的复杂程度，可以是矩形波，也可以是近似于正弦波。主要由开关管的触发控制电路、整流滤波电路以及高频变压器等组成。Q1 、Q2交替导通由开关管的触发控制电路来控制。将直流电压，通过高频变压器升高为高频交流电的装置。变压器输出的交流电压转化为直流电压供后级电路逆变输出是由整流滤波电路完成。图 3.1 推挽升压电路推挽升压电路的具体工作过程：当Q1导通时，Q2关断，流过绕组N1的电流呈斜线形逐渐增长，这时D2、D3导通，流过电感L的电流呈斜线形增长，给电容C充电。此时Q2承受的电压为2VS，即原边电源电压和绕组N3感应电压的和。由于有死区时间的存在，Q1和Q2均关断，Q1和Q2承受的均为电源电压VS。电感L储存的能量通过D1、 D2、 D3、 D4释放，电感电流呈斜线形下降。当Q2导通时，Q1关断，流过绕组N3的电流呈斜线形逐步增长，此时D1, D4导通，流过电感L的电流呈斜线形增长，给电容C充电。此时丫承受的电压为2VS，即原边电源电压和绕组N，感应电压的相加之和。Q1和Q2再次均关断，Q1和Q2承受的均为电源电压VS。电感L储存的能量通过D1、D2、D3、D4释放，电感电流呈斜线形下降。如图3.2所示,针对推挽电路的拓扑结构,在Matlab/simulink环境下进行系统建模,对电路控制原理进行了仿真验证。将输入端的电压设置为12V,开关器件选为MOSFET,其开关频率设定为30KHZ；整流电路选为单相全桥整流电路,整流器件选为不可控整流二极管;滤波电路采用LC低通滤波器;输出端接纯阻性负载。分别对MOSFET的触发脉冲波形,高频变压器输出的脉冲电压波形及整流滤波后的直流母线电压波形分别进行了测试与分析。图3.2 推挽电路拓扑仿真电路图3.2推挽电路的元器件选型3.2.1功率开关管的选型本课题我将采用的开关管器件为MOSFET,因为MOSFET没用储存时间，而且其导通压降会随着温度的升高而升高，可以有效的解决本课题研究的推挽电路中高频变压器的偏磁问题6。开关管承受的最大电压为2VS，根据系统给的参数要求，可求得流过开关管的最大电流为： （3.1）P0电源的功率；电源的最小输入电压；触发脉冲的最大占空比；系统的效率。考虑到变压漏感的存在会让开关管的反电压增大，以及余量问题，姑选择IRF3205为开关器件，参数如下： （3.2）3.2.2整流二极管的选型整流二极管是一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件，推挽电路工作在高频状态，所以得使二极管有反向恢复时间短，导通电压低，承受反压能力强的特点。整流二极管承受的反向电压公式计算： （3.3）n:变压器的变比系数；:输入端的最大输入电压。基于安全的角度考虑，选HER508作为系统的整流器件,其具体参数如下所示:最大反向击穿耐压:1000V正向平均电流:5A,反向恢复时间:75ns。3.2.3 滤波器的设计推挽拓扑中，其整流滤波电路的工作模式是这样的:任意一组整流二极管导通就会给后级电容充电，二极管关断时，电容开始放电。能量是通过滤波电路向后级逆变电路提供的。其功率关系表达式为7： （3.4）:后级的输出功率；:电容上的峰值电压；:电容上的谷点电压。则输出电容可以表示为： （3.5） 式中k为谷峰比,已知开关管的工作频率为30KHz,根据电路的输出功率要求,将电路的效率设定为0.8,设纹波电压为输出电压的3%, 般工程的要求范围为3%7%。输出电压的峰值取为310V,将相关数据带入上式计算得: （3.6） 3.3 高频变压器的设计高频变压器是作为开关电源最主要的组成部分，在推挽电路中是不可缺少的部分它能在电路中起到升压、隔离、能量传递的作用。高频变压器设计的好坏影响到电路的性能好坏，我下面将从高频变压器的磁芯型号的选型、绕组线径的选型以及绕制方式等几个方面的分析研究。3.3.1 磁芯型号的确定本课题高频变压器的磁芯大部分选用铁氧体磁芯8,推挽电路的高频变压器为双向励磁方式，变压器利用率比较高，主要技术指标如下所示： 输入电压:12V DC 输出电压:390V(调制比为0.8时） 额定输出电流：2.5A 工作效率：60KHz 变压器效率：0.8 高频变压器的磁芯选择方法用的是面积乘积（AP）法，面积乘积法根据实际的应用数据通过计算来确定变压器的磁芯规格，其数理论证充足，可靠性高，一般都会被采用9-10。AP法的表达式为： （3.7）：总的视在功率；:为窗口使用系数；：波形系数；：变换器的工作频率（Hz);:磁芯磁通密度（T）;J:线圈导线电流密度，表达式,X为温度参数值。所以温度的升高会影响导线电流密度，所以AP的计算值为： （3.8）（1）总的视在功率： （3.9）（2）AP值： （3.10） 根据计算所得的AP值，考虑到相应的裕量，最终将磁芯确定为EE55，其参数为: （3.11）3.3.2 绕组线径的确定电流密度： （3.12）（1）初级绕组线径的选择 （3.13）初级绕组线径将0.707选为校正系数，则它的截面积为： （3.14）（2）次级绕组线径的选择次级绕组线径截面积： （3.15）线径大小：d2=0.92(mm).3.3.3 高频变压器的绕制（1）初级绕组线圈匝数计算： （3.16）（2）次级绕组线圈匝数计算： （3.17）高频变压器的绕制达标与否影响着电路设计能不能成功，所以必须完成2个关键的问题：（1）保证初级绕组的铜面积达标；（2）选择正确与合适的绕组方法。推挽拓扑升压电路MATLAB仿真结果开关器件MOSFET的触发脉冲波形如图3.3所示,将触发脉冲电压的值设置为8V。通常开关管的触发电压处于5-15V范围之间时,即可正常开启；在仿真模型中将开关管触发脉冲的占空比设置为0.5,并没有对死区时间进行设置,此时MOSFET的开关频率为30KHZ。图3.3开关管触发脉冲波形高频变压器输出的脉冲电压波形即副边绕组1两端的电压波形如图3.4所示,此时输出的交流脉冲电压的幅值约为350V,频率为30KHZ,与起初设置的开关管触发脉冲频率相吻合。3.4高频变压器输出的脉冲电压3.4推挽拓扑控制电路设计3.4.1 AT89C51芯片AT89C51是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，振荡频率可以通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。可以实现固定频率的PWM触发脉冲输出。它还自带有死区时间比较器，当死区时间比较器的反馈电压变化时，触发脉冲的占空比也会随之发生变化.3.4.2 AT89C51的控制电路设计图3.5 AT89C51控制电路图3.5后级逆变电路（DC/AC)的设计与实现对全桥逆变电路的控制进行了仿真验证,根据车载逆变电源的技术指标对全桥逆变电路及滤波器的元器件进行了选型。分析了 SPWM波形产生原理、驱动电路的设计方法。对电池欠过压保护电路、过流保护电路进行了设计,保证系统能安全稳定工作。3.6全桥逆变电路的工作原理全桥逆变电路如图所示,主要由功率开关管的控制电路、单相全桥、滤波电路等组成。功率开关管的控制电路用来控制单相全桥功率开关管的有序导通和关断,从而将直流电转化为高频的交流电;滤波电路将单相全桥输出的高频高压脉冲序列的高次谐波滤除掉,从而得到标准的正弦交流电压。图 3.6 全桥逆变电路如图3.7所示，针对全桥逆变电路的拓扑结构,在Matlab/simulink环境下进行系统建模,对电路控制原理进行了仿真验证。滤波器选为LC低通滤波电路,输出端接纯电阻负载。按调制比0.8进行计算,将开关器件选为MOSFET,开关频率设置为16KHZ。3.7 全桥逆变拓扑仿真电路图3.7全桥逆变电路的元器件选型3.7.1 功率开关管的选型在全桥逆变电路中，开关管是不可缺少的功率元件，根据系统的容量和工作频率等技术指标，选择MOSFET。由本课题特点，将其定为FQP10N60C， 参数为： (3.18)3.7.2 输出滤波器的设计全桥逆变电路运用的是正弦脉宽调制方式，开关管工作频率为16KHz，因为输出电压含有不少高次谐波含量，所以必须对输出滤波器进行设计，这样才能得到标准的正弦波。本电路需要的是低通滤波器，可以使电压的高次谐波虑除掉，LC低通滤波器是常见的一种，其电路结构如图3.8：图 3.8 LC低通滤波器结构图SPWM触发波形产生方式有两种，即模拟式和数字式。 (3.19)toff为开关管关断时刻，ton为开关管开通时刻，则表达式为： (3.20)f为脉冲序列中心横坐标,表达式为： (3.21) (3.22) (3.23) (3.24)总的谐波失真度可表示为： (3.25)全桥逆变电路拓扑仿真结果:全桥逆变电路同一桥臂的开关管交替导通,输出电压的正半周期V4,保持开通,V3保持关断,负半周期保持开通,保持关断。其中开关管和的触发脉冲波形如图3.9所示,其触发电压幅值设置为8V。本设计将一个正弦周期平均分成320份,來生成占空比呈正弦变化的脉冲序列,此时开关管MOSFET对应的23开关频率为16KHZ。图3.9 V1/V3的触发波形单相逆变全桥的输出电压波形(滤波前)如图3.10所示,输出电压为占空比呈正弦变化的窄脉冲序列,每个正弦周期包含320个脉冲。每个窄脉冲的幅值为390V,周期为 62.5us。图3.10单相逆变全桥的输出波形对滤波前及滤波后的输出电流分别进行了测试分析。滤波前的电流波形如图3.11所示,电流波形呈正弦,幅值约为1.55A,周期为20ms,其内部的谐波含量较高;滤波后的电流波形如图3.12所示,电流波形已比较平滑,充分验证了 LC低通滤波器的设计合理性。此外还说明输出滤波器除了对开关管开通关断的高次脉冲谐波进行滤波外,主要是对输出电流的谐波含量进行滤除。图3.11滤波前的电流波形图 3.12 滤波后的电流波形3.8 SPWM触发波形的产生3.8.1 SPWM波形产生原理在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。所以根据正弦波脉宽调制基本原理，结合生成脉冲序列方式11。3.8.2 单片机相关模块的配置 该模块可用于定时器、外部脉冲序列的捕捉、高速脉冲输出以及脉宽调制(PWM)触发波形的输出。本设计将PCA模块设置为脉宽调制输出模式,通过查表程序来产生占空比成正弦变化的两路SPWM触发脉冲,结合死区电路和驱动电路用于驱动单相逆变全桥。3.9驱动电路设计本研究采用单片机生成SPWM触发波形,但单片机的驱动能力远不能保证开关管的正常开启,因此必须对驱动电路进行设计,保证开关管的可靠开通和关断13。该驱动电路采用HCPL3120为主控芯片,其内部结构如图3.13所示,芯片内部含有高速的LED,且带有功率级输出集成电路。该芯片广泛应用于变频控制系统中MOSFET及IGBT的驱动电路设计,输出端的宽工作电压范围开关器件提供了合适的开启电压14。 图 3.13 HCPL3120 内部结构图其主要技术指标如下所示:(1)最大输出电流为2A(2)最高低电平输出电压为0.5V(3)不需负向门驱动(4)15V到30V的宽工作电压范围(5)工作温度范围为-40C到100C以左侧桥臂为例,驱动电路如图3.14所示,在HCPL3120的输出端设置了限流电阻R16、R17,利用电阻R15、R16对开关管栅源极寄生电容充电,从而使触发脉冲有良好的前沿陡度,来保证开关管的可靠导通。并且在栅源极间并联了稳压二极管D34,D35,D36,可靠的防止了栅极驱动电压及开关管关断产生的高压尖峰,把开关管栅源极寄生电容上的电荷泄放掉,从而大大提高了开关管的关断稳定性。图3.14 驱动电路3.10保护电路设计为保证系统的安全稳定运行,必须对相关的保护电路进行设计,该部分内容主要介绍了电池欠过压保护电路、过流保护电路、桥臂短路保护电路以及开关管产生的高压尖峰的缓冲吸收电路的设计。3.10.1 电池欠过压保护电路设计该逆变电源的输入电压为车载蓄电池电压,蓄电池的电压过低,不能满足后级输出电压的指标要求;蓄电池的电压过高,会对前级升压电路的开关器件造成损坏,因此必须对电池电压进行实时监测,保证系统的可靠运行。电池欠过压保护电路如图3.15所示。蓄电池电压经R25分压后经C51、C52滤波后接入单片机的P1 口的2引脚。 图 3.15 电池欠过压保护电路其中C2是限流电阻,C3为滤波电容,目的是为了减少干扰信号对电池电压釆样的影响。D1、D2是钳位二极管,当网络标号P12的电压高于5K时,D8导通,P12端的电压被钳位在5F;当网络标号P12的电压低于0K时,D9导通,P12端的电压被钳位在OV。3.10.2 过流保护电路设计因逆变电源输出的是交流电流,单片机无法对其进行实时监测,该保护电路对交流电流通过电流互感器降为小信号,经电阻采样、整流电路转化为直流电压,电阻分压后再接入单片机引脚。 过流保护电路如图3.16所示,交流电流经电流互感器隔离缩放后,经电阻R3采样,后经整流、滤波、分压电路后送入单片机。其中采样电阻选为200R,此时按照HCT215的技术规格,其测量电流的线性范围为05A。D12、D13、D14、D15为单相桥式不控整流电路,C59、C14为滤波电容,R32为分压电阻,R5为限流电阻,D10、D11为钳位电路。将过载倍数设置为1.5,即过载电流的阈值为3.45A,当单片机的AD釆样值高出其内部的设定值时,即关闭系统输出。图 3.16 过流保护电路3.11输出电压反馈电路设计样值,对SPWM触发脉冲的占空比进行实时调整,来保证输出电压处在设定范围之内。图 3.17 输出电压反馈电路3.12单片机外围电路设计本研究采用单片机PIC16F877A为主控芯片,该芯片集成了 8路10位AD转换器,2个串行通信口,60KB的FLASH,1280字节的SRAM, TO、T1两个定时器,两个可编程计数器阵列(PCA),可产生2路8位的PWM脉冲用于电机或开关电源控制系统,单片机的PWM产生端口也可以作为2路8位的DA使用。为保证单片机能正常工作,对单片机的外围电路:供电电路、晶振震荡电路、复位电路、串口下载电路进行了设计;为保证整个系统能正常工作,以单片机为主控芯片,对前级升压拓扑的开启电路及系统出现异常后的关断电路进行了设计。.图 3.18 单片机外围电路3.12.1 复位电路与震荡电路设计单片机的外围电路如图3-11所示,其中S3为自锁开关,用于控制单片机供电电源的通断;当系统处于正常工作状态时,如果RST (P4.7)引脚上出现高电平并维持两个机器周期以上,那么CPU就会做出响应并将系统复位。单片机的复位电路由S1,C2,R1,D1组成,起初S1断幵,上电后电源给电容C2迅速充电,待电容电压稳定后,RST (P4.7)引脚的电压为零,单片机处于正常工作状态;如果按下弹性按键S1,RST (P4.7)引脚电压由低电平转变为高电平,单片机复位。C2放电后又迅速充电,RST (P4.7)引脚电压又恢复为原来的低电平,单片机进入正常工作状态。单片机的晶振震荡电路由Y1,C1,C12组成,为保证晶振能正常工作,必须加去稱电容即C1、C12来消除外界的噪声影响,电路中将晶振的规格选为22.1184MHz,是出于对串通信时波特率的考虑。可知定时器的溢出率与晶振的频率息息相关,由计算可知,当波特率取为9600,晶振的规格选为22.1184MHz时,定时器的溢出率正好可以取到整数值,这样就会大大降低串口通信时的错误率。 3.12.2 总电路图设计由各个部分硬件组合而成的总图3.19所示：3.19 总电路图4软件设计4.1 程序流程图系统的程序流程图如图4.1所示,该部分主要包括初始化程序,软启动程序,电池电压、输出电流检测程序,桥臂短路保护程序,SPWM波形产生程序,输出电压调整程序及串口通信程序。单片机上电后先执行定时器初始化、PCA初始化、AD初始化、串口初始化程序。其中定时器初始化程序,用于设置定时器的工作方式,将每个正弦周期平均分为320份,并且在中断服务程序中,对PCA模块的捕捉/比较寄存器的高字节一CCAPnH (n=0,l)进行赋值,来产生占空比呈正弦变化的SPWM触发脉冲。PCA模块初始化程序,用于设置PCA计数器的时钟输入频率为/2 ( /为晶振频率),通过配置比较/捕捉寄存器CCAPMO和CCAPM1让PCA模块工作在8位PWM无中断的输出模式,并对控制寄存器CCON、计数器的低8位CL和高8位CH、捕捉/比较寄存器的低字节(CCAPnL)及高字节(CCAPnH)(n=0,l)进行清零操作,然后启动PCA计数器进行计数来产生SPWM触发脉冲。AD初始化程序,用于设置处于AD转换状态的引脚及AD转换的周期,其转换周期设置为540个时钟周期转换一次,来提高电压、电流采样的准确率。串口初始化程序用于设置串口的工作方式为8位数据,无校验的通信方式;设置定时器1为8位自动重装初值的工作方式,并通过计算对定时器1的TL1和TH1寄存器进行赋值,将串口的波特率设定为9600。SPWM触发波产生程序在设计时,其触发脉冲波的占空比调整系数设置为m/216, m为整型变量。软启动程序是通过do.while循环语句,对m的值依次累加,待程序执行完毕后,m的值为216。电池电压检测程序是通过蓄电池电压的AD采样值与程序内部设置的最小值Udc(min)及最大值Udc(max)进行比较后作出动作。若电池电压的ad采样值,小于最小设定值或大于最大设定值,则立即关闭系统的输出。输出电流检测程序是通过检测过流保护电路输出电压的AD采样值,然后与程序内部的最大设置值进行比较,若大于该值则立即关闭系统输出。桥臂短路保护程序是通过检测桥臂短路保护电路输出电压的高低来做出动作的,若为高电平,则立即关闭系统输出。单片机上电后先执行初始化程序,然后执行软启动程序,随后执行电池电压检测程序、输出电流检测程序及桥臂短路保护程序,若电池电压处在设置值10V,输出电流不大于设置值3.452A,且桥臂无短路的情况下,执行查表程序产生SPWM触发波对单相逆变全桥进行触发控制。同时执行输出电压检测程序,当发现输出电压低于设定值210V或高于设定值230V时,对SPWM脉冲波的占空进行实时调整,来保证输出电压处在设定范围之内。当发现输出电流异常,电池电压异常或者桥臂有短路现象发生时则立即关闭输出。另外添加了串口通信程序,可以通过串口调试助手人机界面实时观测逆变电源的输入输出状态16-18。初始化软件启动程序SPWM波形产生程序电压是否正常？ 输出关闭输出调节占空比否是否是是否否显示输出电压/电流及电池电压是电池电压是否正常输出电压是否正常桥臂是否有短路发生开始 4.1程序流程图5仿真设计5.1 Proteus仿真5.1.1 PWM波形仿真本系统采用AT89C51来生成PWM，调节占空比调节PWM波形，占空比是高电平和高电平加低电平的比值，下面5.1与5.2分别用的是占空比为百分之60和百分之90的PWM波形。图5.1 占空比为60%的PWM波形图 5.2 占空比为90%的PWM波形5.1.2 SPWM波形仿真应用PIC16F877A芯片产生SPWM，由于芯片产生的驱动信号波功率低，采用驱动芯片提高功率。两组波相位差为180度，如下图5.3所示。图 5.3 两组波相位差为180度的SPWM 波形 5.2仿真结果分析频率偏差原因：在定时器中断服务程序中查表赋定时的初值，占用时间较多，导致定时不准确；另外，测试仪器本身存在测量误差。波形失真原因：滤波器可能设计不是很好，导致出来的波形不是那么的平滑，单片机系统存在最小脉冲的限制，还有各种因数都会导致波形失真。总 结当今日常办公娱乐电器产品在汽车上的使用日益广泛,而这些电器产品大部分需要220V/50Hz的正弦交流电来供电,常见汽车蓄电池的输出电压为12V,车载逆变电源可以将蓄电池电压转换成220V/50Hz的交流电供一般电器产品使用,因此车载逆变电源已成为汽车上必不可少的一种电源转换设备。本文首先对车载逆变电源的研究现状及当今车载逆变电源设计中存在的问题作了讲述,最终采用两级式级联拓扑结构对车载逆变电源进行设计。按系统的电路结构来划分主要分为前级升压电路和后级逆变电路的设计。该研究首先对推挽升压电路和全桥逆变电路的控制策略在Matlab/simulink环境下进行了仿真验证,随后即在系统硬件电路设计和软件设计两个方面予以实现。在前级升压电路设计部分,对开关管、整流二极管、滤波电容做了器件选型,硬件电路部分,AT89C51,对推挽拓扑的控制电路及母线电压的反馈控制电路进行了设计;并且对电池电压的欠过压保护电路进行了设计。后级逆变电路设计部分,主要分为软件设计和硬件设计两部分。首先对全桥逆变电路的开关管和输出滤波器做了器件的选型。在硬件电路设计部分,主要对驱动电路、全桥逆变电路、滤波电路、输出电压反馈电路、输出电流反馈电路、单片机的外围电路进行了设计。在软件设计部分,以单片机PIC16F877A为主控芯片,结合正弦脉宽调制的基本原理,对单片机的PCA模块的相关寄存器进行配置,来产生SPWM触发波;结合输出电压的采样值,对输出脉冲的占空比进行实时调整来保证输出电压处在设置范围内;并且对电池电压、输出电流进行实时采样,对桥臂的短路监测信号实时监听,来保证系统的输入电压输出电流处在允许范围内且全桥逆变电路能正常稳定工作;另外,还设计了串口通信子程序,来实时观测系统的输入输出状态。参考文献1 付瑶,谭智力,于珊.基于SG3525控制的车载逆变电源设计J.20152 魏文才.基于目标导向法的车载逆变电源的可靠性控制J.20123Buml T.1, Haumer A.1, Kapeller, H.1, Starzinger, J.2, Farzi, P.2.Impact of Inverter Pulse Inhibition on the High-Voltage Supply System of an Electric Vehicle-A Simulative