三相正弦波变频电源毕业设计(DOC毕业设计论文).doc

三相正弦波变频电源（G题）摘 要:本三相正弦波变频电源的设计基于三相交流电、PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制控制、逆变电路、FPGA及单片机等原理，完成了输出线电压有效值36V，最大负载电流有效值3A及测量该变频电源输出电压、电流、频率和功率的功能，同时还具有过流保护、负载缺相保护及负载不对称保护等功能。该三相正弦波变频电源包括整流电桥、滤波电路、逆变电路、缓冲电路、保护电路、小电流放大采样电路、大电压分压采样电路、FPGA控制PWM调制、单片机控制采样及显示界面等九大部分。其中逆变电路采用芯片IM14400来实现，小电流放大采用仪表放大器AD620来实现准确放大，大电压分压采用金属薄膜精密电阻来实现精确分压，输出电压、电流的测量采用有效值芯片AD637，频率的测量在FPGA中采用等精度测量的方法实现。关键词：三相正弦波，变频，PMW脉冲宽度调制，逆变Abstract: This three-phase sine wave frequency conversion power supply is based on the principles which are three-phase alternating current, pulse width modulation, contradictory change circuit, FPGA and MCU. This power supply can export the virtual value of line electricity voltage which is 36V, and the maximum virtual value of the load current is 3A. This power supply also can survey the outputs of voltage, current, frequency and power. At one time, the power supply can protect itself when the current is excessive, or the load is short of three-phase, or the load is not asymmetry. This power supply is consisted of 9 parts which are commuting electric bridge, filter circuit, contradictory circuit, buffer circuit, litter current magnifying and sampling circuit, large voltage dispart and sampling circuit, FPGA controlling PWM modulation, MCU controlling sampling and display interface. The contradictory circuit uses IM14400 to meet the needs in the subject. The amplification of litter current uses the instrument amplifier AD620 to achieve precise amplification.The dispart of large voltage uses metal film precision resistance to realize precise voltage dispart .The measurement of the outputs of voltage and current uses the virtual value chip AD637.The measurement of the frequency adopts the same precision measurement in FPGA to meet the needs. Key words: three-phase, frequency conversion, PMW (Pulse Width Modulation),contradictory change目 录一、方案论证31.题目任务要求及相关指标分析32.逆变部分及控制器的方案选择与论证33.调制方式的选择与论证34.电压电流测量有效值方案的选择与论证4二、系统总体设计方案及实现方框图41.总体方案设计42.系统框图4三、理论分析与计算51. PWM控制技术的原理分析52.PWM逆变电路的原理分析6四、主要功能电路的设计71.滤波电路的设计72.缓冲电路的设计73.电流取样电路的设计74.电压取样电路的设计85.频率测量电路的设计86.逆变集成模块外围电路9五、系统软件的设计91.总体设计思想92各部分模块说明103.流程图11六、测试部分111.测试方法111).测试框图112).测试方法122.测试仪器12七、总结分析与结论12八、参考文献12一、方案论证1.题目任务要求及相关指标分析题目要求制作的三相正弦波变频电源，能输出线电压有效值为36V，最大负载电流为3A，负载为三相对称阻性负载（Y接法）。变频电源框图如图1所示。图1 题目所给出的框图根据此框图，由于隔离变压器已经提供，整流部分使用整流电桥即可实现，三相负载根据题目要求需要接成Y接法，故方案的选择与确定主要在逆变部分和控制器部分。又根据发挥部分（2），要求测量该变频电源输出电压、电流、频率和功率，这就涉及到对产生有效值方案的选择。下面就对这几部分进行方案选择与论证。2.逆变部分及控制器的方案选择与论证简单来说，逆变就是将直流电转换为交流电。有赖于逆变电路发展起来的PWM（Pulse Width Modulation）控制技术是基于面积等效原理，对脉冲宽度进行调制，来等效得到所需波形。现有逆变电路集成模块IM14400，故只需对PWM控制方法进行相关的选择与论证即可。方案一：计算法。若给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，PMW波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。根据计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。方案二：调制法。将希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PMW波形。 比较以上两种方案，可以看到计算法较为复杂，且当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位发生变化时，结果都会产生变化。故采用调制法。调制还涉及到调制方式的选择，下面来讨论调制方式的选择与论证。3.调制方式的选择与论证方案一：同步调制。在PWM控制电路中，载波频率与调制信号频率之比称为载波比。当载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号保持同步的方式为同步调制，方案二：异步调制。载波比N是变化的，通常保持载波频率固定不变，这种载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。分析以上两种方案，对异步调制，当信号波频率较低时，载波比N较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的影响都较小，PWM波形接近正弦波。当信号频率增高时，载波比N减小，一周期内的脉冲数减少， PWM脉冲的不对称的影响就变大。三相输出的对称性也变差。虽然同步调制较异步调制复杂，但用单片机控制时也较容易实现，本设计中为保证输出波形失真度小，选择同步调制方式较好。4.电压电流测量有效值方案的选择与论证对有效值的测量有以下两种方案：方案一:采用软件计算有效值。对电压、电流取样后经MAX197进行A/D转换，而后在FPGA中进行有效值计算。方案二：采用有效值芯片AD637。AD637精度较好，误差较小，可以用来直接对电压计算有效值。由于手头上有有效值芯片AD637，且方案一用软件计算的方法较方案二复杂，选择方案二可以减小软件设计的工作量，故本设计采用方案二。二、系统总体设计方案及实现方框图1.总体方案设计根据题目要求（如方案论证的1.题目任务要求及相关指标分析部分）及题目所给框图（如图1），由隔离变压器输出60V交流电经整流电桥，经滤波1滤除非直流部分，得到直流信号，输入逆变集成模块IM14400，FPGA控制PWM波形的产生，经缓冲电路、滤波2滤除高频成分，即输出三相交流电。由于输出电压为36V，系统工作时产生的热量较高，故普通电阻不适合用来取电流，必须使用温度系数较低的锰铜电阻，同时由于锰铜电阻的阻值为毫欧级，取电流实质上是取电阻两端的电压，故取出的电压较小要进行仪表放大后才适合采样。而大电压的采样就要使用精密电阻来进行分压采样。系统框图如图2。2.系统框图根据以上分析，系统框图如下：三、理论分析与计算1. PWM控制技术的原理分析PWM控制技术的重要理论基础为面积等效原理，下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波。将图3(a)的正弦半波分成N等份，把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替 ，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦波部分面积相等，即得到图3(b)所示的脉冲序列，这就是PWM波形。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。图3 用PWM波代替正弦半波三相PWM逆变电路的波形如图4，基本原理同图3所示。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中的开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。图4 三相PWM逆变电路波形从图4(5)中，我们看到PWM波等效对应的相电压与原调制信号相同。基于这种原理，用软件产生三路PWM波形，如图4(2)、（3）、（4）,相互叠加即可以产生三相交流电。2.PWM逆变电路的原理分析如图5所示为三相桥式PWM型逆变电路，这种电路通常采用双极性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波,三相调制信号、和依次相差。U、V、W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当时，给上桥臂以导通信号，给下桥臂以关断信号，则U相相对于直流电流假想中点的输出电压。当时，给以导通信号，给以关断信号，则。和的驱动信号始终是互补的。V相及W相控制方式都和U相相同。图5 三相桥式PWM型逆变电路四、主要功能电路的设计1.滤波电路的设计跟据题目要求及系统框图（如图2），本设计有两处用到滤波器。其一，电容滤波器。在整流电桥后接一个电容滤波，目的在于滤除整流后的非直流成分。此处所用电容要求温度系数小，且能耐高温，聚苯电容适用于工作环境温度变化大而容量变化小稳定性要求高的电路，是较好的选择。其二，输出正弦波滤波器。在逆变电路输出缓冲后接一个LC滤波器，目的在于滤除三相正弦波信号高频成分，使最终输出波形为正弦波，以减小对外的谐波干扰，同时也起到对电源自身的保护作用。输出滤波器的原理图如图6。电感L1、L2和电容C1组成低通滤波器滤除线电压中的高次谐波，电感L1、L2和电容C3组成低通滤波器滤除线电压中的高次谐波，电感L2、L3和电容C2组成低通滤波器滤除线电压中的高次谐波。由于三相负载对称，故可取L1L2L3L，C1C2C3C，低通滤波器的截止频率取SPWM逆变电路的载波频率的一半，则有，其中L为工频电感，取12mH，C为工频电容，选用无极性电容。根据本设计取的载波频率为12KHz，此低通滤波器的截止频率取，根据公式算得电容的容值范围为714F。低通滤波器的截止频率还可以降低，这对环境干扰产生的低次谐波有较好的抑制作用，所以电容可以进一步增大。图6 输出正弦波滤波器2.缓冲电路的设计缓冲电路用来控制IGBT的尖峰电压，限制电压上升率，消除电磁干扰。考虑到本设计为小功率设计，故用一个大电容就可以达到缓冲的作用。取0.33F的聚苯电容。3.电流取样电路的设计由于电压电流较大，系统工作时温度较高，故对电流取样时不能使用普通电阻，要使用温度系数较低的锰铜电阻，但锰铜电阻阻值在毫欧级，从锰铜电阻取电流时（实质上取的是锰铜电阻两端的电压），数值较小不适合采样。采用仪表放大芯片对其进行高倍数放大后再采样。电路图如图7。图7 电流取样放大电路前级AD620放大1080倍可调，后级放大40倍。电阻的选择如图中所示。4.电压取样电路的设计输出电压要求为36V，是大电压，也不适合直接采样。应先分压然后再采样。这就要求分压电阻十分精确。本设计中分压电阻采用精密电阻，阻值为R110M，R22M ，如图8，有，输出相电压有效值为，Uo最大值就等于4.89V 。从Uo输出后接射级跟随器，而后接有效值转换芯片AD 637进行有效值计算后输入AD574采样。图8 分压取样5.频率测量电路的设计图9 测频电路（一相）图9所示为输出一相交流电的测频电路，其余两相的测频与此电路相同。图中用741组成同相放大器，放大倍数为，201倍的放大使输出正弦波的边沿十分陡峭，5V的上升时间可以达到3us。可以将变化缓慢的低频信号整成比较规则的方波。使后面的测频非常之精准。6.逆变集成模块外围电路如图10，在原图的基础上进行了改进，在输入引脚前加光耦隔离转化。由于光耦器件对上升延的信号有较长时间的延时。所以可以替代软件的方法实现硬件延时。但是实际测试表明，对上升延的延时过长，使开关管的死区时间达到10s，远远超过了器件的推荐参数。这使得开关管效率降低，并且使一些占空比较小的信号丢失，使波形有一定失真。 图10 集成逆变模块外围电路五、系统软件的设计1.总体设计思想 本题的软件部分的核心是逆变器控制模块。采用可编程逻辑语言的设计方法在FPGA中分别实现正弦波数字信号，三角波数字信号，数字比较模块，及频率测量。并且通过FPGA和单片机的接口设计，使大部分数字设计可以在芯片中设计，大大简化了设计进程。 本题的核心部分逆变器模块的实现难点在与IGBT的死区的建立。可以采取一些方法比较好的达到这个目的。所谓死区是指同组的IGBT不能被同时开通。2各部分模块说明正弦数字信号模块：本模块是基于DDS波形发生的原理，只不过没有经过DA转换的复原，因而是正弦波的数字信号。在本题中只需要构造一个包含正弦波的数据的rom，以及一个可以自动对波形表数据寻址的模块。其模块关系如下图11 正弦波数字信号生成模块三角波数字信号的发生：三角波数字信号的发生比较容易，只需构造一个可以增减的计数器，其计数值即为数字信号输出。比较模块：本模块实现同样比较简单，只是考虑到建立死区，所以在产生下半管的信号时，将三角波的数据适当减小从而实现信号的延时。从而建立起同死关断的死区。无死区的IGBT驱动信号的产生如下：当正弦信号大于三角信号时，上半管的驱动信号为高，而下半管为低。当正弦小于三角信号时，上半管的驱动信号为低，下半管为高，从而实现了IGBT组的轮流导通。但这是在理想情况下。实际中由于管子的放电需要一些时间，所以在一个管子关断时，需要延时一段时间以然管子充分放电再打开另一个管子。图12 IGBT驱动信号产生 再本题中我们采用用两个波形来分别产生上下管驱动信号，即将三角波减去一个恰当的数值，比如数据的1/16。用来产生下半管的信号，示意图如下图13：图13 有死区的IGBT驱动信号产生3.流程图 本设计中FPGA和单片机实现很好的接口，很多设计都在FPGA内实现。单片机由于其良好的操作性，在本题中充当人机接口的作用流程图如下：图14 单片机流程图六、测试部分1.测试方法1).测试框图图15 测试框图2).测试方法据图15 测试框图，对基本要求（1），不接负载，直接从LED上读出各相交流电的有效值。对基本要求（2），将三相交流电接示波器，从示波器上观察输出波形。对基本要求（3）及发挥部分（1），不接负载，以一个线电压为例从LED上读出线电压（各两相之间）的有效值。 对基本要求（4），增大电流，观察报警电路是否报警。对发挥部分（2），接负载，测量各相电压、电流、频率和功率。对发挥部分（3），用失真度测试仪进行测量。2.测试仪器清华同方计算机：奔腾4 CPU + 128M内存 + Windows XP操作系统直流稳压稳流电源： 型号 SG1733SB3A双信道数字存储示波器： 型号 Tektronix TDS 1002数字信号源： 型号 Tektronix AFG310万用表： 型号 FLUKE 17B 失真度测试仪：ZQ41 26型七、总结分析与结论 按题目要求的功能本设计基本实现。 本设计中未达到过流保护、负载缺相保护、负载不对称保护。 本设计中未完成数据的测量。未完成保护部分的制作的原因是方案确定上欠缺考虑，预备在软件中实现保护部分，但软件工作量较大，比赛期间时间有限，故未完成保护部分的制作。由于硬件制作花去大部分时间，故数据测试部分未完成。八、参考文献1王兆安等编，电力电子技术，北京：机械工业出版社，2000年5月第4版2谢自美编，电子线路设计实验测试，武汉：华中理工大学出版社，2000年7月第2版3李华编，MCS51系列单片机实用接口技术，北京：北京航空航天大学出版社，1993年8月第1版4 冉莉莉，SPWM稳频稳压逆变电源测量系统分析与研制，深圳信息职业技术学院学报，2004,2(1).-32-355程伟 李定宣，开关电源保护电路，电源技术应用，2003,6(7).-59-636 梁中华 肖丹 杨霞，一种基于CPLD的SPWM控制波形生成方法，沈阳工业大学学报，2005,27(2).-187-191,2047舒正国，美国CDE电容模块在缓冲电路中的应用，电子元器件应用，2001,3(7).-15-188 李旭 谢运祥,PWM技术实现方法综述，电源技术应用，2005,8(2).-51-55袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃