基于STM32的数字高效低压逆变器.doc

湖 北 民 族 学 院毕业论文（设计）高效低压逆变器设计学生姓名： 学 号： 031041202 系 别： 电气工程系 专 业：电子信息科学与技术指导教师： 谭建军 评阅教师： 论文答辩日期 答辩委员会主席 摘 要本设计主要是采用微控制器与部分电路构成的数字式低压升压逆变器，其主要是用来模拟研究光伏逆变电源。设计采用现代工业控制中最流行的32位MCU（微控制器）Cortex-M3，其拥有72MHz的超高时钟频率，对整个逆变系统进行控制管理与监控；升压电路使用经典的BOOST电路和目前较高效的单端反激升压电路组成两级升压电路。两级升压电路既可以达到高效节能的目的，将输入电源与输出级隔离起来，又可以达到较高的升压比；逆变电路则是目前最经典的全桥逆变电路，输出功率可以达到上千瓦。系统输入电压为1.5V，输出20V/50Hz正弦交流电压，最大功率10瓦，效率达75%。STM32F103ZET6控制单元产生4路PWM波，一路控制BOOST升压电路，将1.5V的输入直流电压升高；一路控制单端反激升压电路，将第一次升高后的电压再一次升压；另外两路SPWM波驱动全桥逆变电路，将升压后的直流电压逆变成交流电压。在SPWM程序控制上，采用定时器读值法产生SPWM波，而不是计算PWM宽度，可以减少计算产生的时间，加快系统的运行速度。关键词： MCU，BOOST升压，单端反激升压，全桥逆变AbstractThis design mainly uses microcontroller and constitute digital low voltage booster circuit inverter, its main photovoltaic inverter power supply is used to simulate the research.Design uses modern industrial control is one of the most popular 32-bit MCU (Micro Controller Unit) - Cortex-M3, it owns high clock frequency of 72 MHZ, to control the inverter system management and monitoring;Booster circuit using classic BOOST circuit and the relatively efficient single-ended flyback booster circuit composed of two stage booster circuit.A two-level booster circuit can achieve the goal of high efficiency and energy saving, the input power and output stage isolated, and can achieve high step-up ratio;Inverter circuit is the most classic full bridge inverter circuit, the output power can be achieved on the kw.System as the input voltage of 1.5 V, 20 V output sine ac voltage, maximum power 10 watts, efficiency up to 75%.STM32F103ZET6 control unit to produce PWM wave 3 road, one control single-ended flyback booster circuit, raise the input dc voltage of 1.5 V.Two outside road SPWM wave drive full bridge inverter circuit, will step up dc voltage of the inverter into ac voltage.Read values on the SPWM program control, by using the timer method to produce SPWM wave, rather than computational PWM width, can reduce the calculation time, speed up the speed of the system.Keywords: MCU,Single-ended flyback booster,Full bridge inverter目 录摘 要IAbstractII1绪言1.1课题背景11.2课题研究的目的和意义11.3国内外概况21.4课题的主要研究工作32系统设计方案的研究42.1方案选择42.1.1 硬件电路设计方案42.1.2 软件设计方案62.2系统总体设计72.3系统功能介绍83硬件详细设计93.1 主控制器介绍93.1.1 STM32F103ZE 介绍103.1.2 原理图113.2 BOOST电路设计123.2.1 BOOST升压电路133.2.2 BOOST升压原理133.2.3 BOOST升压系统电路133.3 单端反激式升压电路设计143.3.1 单端反激式升压电路143.3.2 单端反激式升压原理143.3.3 单端反激式升压系统电路153.4 全桥逆变电路设计153.4.1 全桥逆变163.4.2 SPWM控制原理163.4.2 全桥逆变系统电路173.4.3 全桥驱动电路173.5 过压过流保护电路183.5.1 电压检测电路193.5.2 电流检测电路203.6 TFTLCD液晶显示系统233.6.1 TFTLCD介绍233.6.2 FSMC介绍244 软件设计264.1主程序264.1.1 主程序功能介绍264.1.2 主程序流程图264.2 PWM波产生程序274.3 PID电压调整程序274.4 SPWM波产生程序284.5 电压电流检测程序285 总 结32致谢33参考文献34附录34III1绪言 本章简明地阐述了低压逆变的研究背景、当前现状和发展方向，指出了现代部分光伏逆变中的问题。1.1课题背景低压逆变的研究已是当前研究的热点问题，低压逆变技术现已是比较成熟。低压逆变的应用也是越来越广泛，生活中也开始变得普遍，其中最为常见的就是光伏逆变。光伏逆变的应用那就是相当的常见了，在国外已将成了家用电器式。电能在现代站着举足轻重的作用，如果离开了电，可能什么事情都做不了。生活里没了电，我们只能回归原始；工作没了电，就不能工作；工业生产没有了电，那工厂就无法运转。2010年全社会用电量41923亿千瓦时，这个庞大的数字后面将消耗掉无尽的资源，给大自然无限的污染，所以新能源的兴起是必将是21世纪的新方向。人类物质文化水平日益增长，对物质的需求与要求也是日益提高，对新能源的开发就在现代研究领域中明显突出,近几年对核能、潮汐能、太阳能灯新能源的研究成果明显。太阳能处处都有，可以直接向大自然索取，不需要开采运输，既安全又环保。很多家庭里已经用上了家用型光伏电源，可以提供上百瓦至千瓦的功率，基本上可以满足小家庭的生活用电。对于小家庭而言，一次性投入购买一个光伏电源，成本上也不是很高，从上千元到上万元的光伏电源价格不等，但是一旦购买，其家庭生活用电就能够基本满足，从节约电费的角度来看，节约的电费早晚也会大于购买光伏电源的成本。光伏电源已经是现代生活的趋势，很快就会有大量的小家庭购买。现在市面上已经有层出不穷的光伏电源，由于其基于不同的原理与不同的方案，所以其也具有不同的优缺点。但是光伏电源这样节能环保的设备时资源紧缺的现代正需要的，它必将是一个趋势与走向，家庭化光伏电源终将会实现。1.2课题研究的目的和意义研究目的:压逆变系统中，以低压逆变最为典型，而最为常见的也是光伏逆变。光能是新型环保能源，取之不尽、用之不竭，如果光能能够完全提供人们的能源需求，那人类将进入一个新的时代。光伏电源如果能够普及，那每年将会节省大量因发电而消耗的资源与减少许多因为发电带来的污染。本文对光伏电源的模拟，能够发现光伏电源设计中的问题，并将其进行模拟处理。本文主要模拟光伏逆变电源的电路以及程序的设计。Cortex-M3微控制器与推挽升压、全桥逆变电路的完美结合，将会大大提高逆变电源的响应速度，增加其处理突发问题的能力，在人机界面上也将是有超前的人性化。研究意义：对低压逆变进行设计，模拟光伏逆变，有利于对光伏研究的问题解决。电能的发现，让人类进入了新纪元，如果光能转化为电能装置能够得以普及，人类是否将进入新纪元。如果光能发电能够满足全球人们的用电需求，那其他的发电站将不再需要了，那将节约原来发电所需要的资源，较少因为发电带来的环境污染。对于小家庭而言，光伏逆变器更容易研发生产，但是现市场上面的小型光伏逆变电源的转换效率都不高，其效率问题有待研究解决。本文对光伏电源的模拟，希望能对光伏电源设计能够解决一些问题。现光伏逆变电源主要面临的问题有一下几点：（1） 生产成本高，不利于小家庭普及；（2） 产品受光照影响大，在光照强度较弱的地方不适用；（3） 产品不够稳定，在环境恶劣的情况下，容易出现系统故障或者直接烧毁设备；（4） 在作为应急设备时，必须有储点设备（蓄电池）;（5） 转换的效率不高，太阳能光电板的转换效率一般在17%左右，逆变装置的转换效率平均在70%左右。1.3国内外概况对低压逆变的研究，国内外都有一定的研究成果，技术上取得了一些成果，光伏逆变的研究效果最明显。在国外，光伏发电站已经是较为普及，大小各异的遍布各个城市小镇。光伏逆变器已经有大量较为成熟的产品面世。全球最早最大的光伏逆变器生产商SMA很早就已经研制出许多的市场化的产品，现已经流入了国际市场。世界几大强国，如美国、日本等科技强国已经实现了逆变电源的商品化。国外逆变器的特点主要是智能化，根据不同光伏逆变环境应用，研发出不同环境中使用的逆变器，其结合了配电保护系统与监控系统与一体1。在技术方面，现国外热点问题集中在MPPT（最大功率跟踪点）上。在国内，专门研发光伏逆变电源生产商不多，很多都是做汽车逆变电源的，只是在原来的基础上转型做的光伏逆变电源。国外与国内比较，在光伏逆变上，其技术方面任然较为落后，其智能化就与国外有一定的技术差异，国内只是最某些参数的设定上，实现了一点智能化，在于环境不同的情况下，国内产品想要自己调节参数，目前还很难实现，产品的性价比依旧与科技强国之间存在一定的差距2；在普及程度上，因为其成本上低于国内，其转换效率上也略高与国内，在节能环保上的推广，国内也不能跟国外比，所以国内的普及程度也有所不及。发展现况研究方向市面状况并网逆变器的开发国内MPPT未开发自主开发国外智能人性化，多功能综合系统以及MPPT已开发进口和合作研究1.4课题的主要研究工作在21世纪，单片机的应用十分广泛。不论是在工业控制或者产品系统监视控制方面，单片机都以它简独特的优点展示出他的实用性3,4。光伏逆变就是把光伏蓄电池中的直流电逆变称为220V或者其它压值的交流电，可以直接提供家用设备或者其他特殊用途的设备。本设主要由单片机对升压电路与逆变电路进行控制监视，输出稳定的20V/50Hz正弦交流电。其主要来模拟光伏逆变，探讨光伏逆变中存在的问题。课题的基本要求：系统输入电压为1.5V，输出20V/50Hz正弦交流电压，最大功率10瓦，效率达75%。在设计中，其主要问题有一下几点:（1） 选用哪种微控制器，要考虑处理速度、控制难易程度以及开发成本等；（2） 采用何种升压电路，要考虑升压倍数、输出功率、升压效率、电路的难易程度、成品的体积；（3） 使用怎样的逆变电路，需要考虑逆变电路的难易程度、输出功率、逆变效率、驱动的难易程度。（4） 电路中元器件的选择，既要损耗小，又要功率足够大；（5） 系统稳定性的考虑，应用怎样的电路和怎样的程序才能发挥出最好的效果，使整个系统稳定可靠。综合以上的的所有问题，本设计将着重研究其实现方案与程序的配合，希望能够将最完美的方案实现。2系统设计方案的研究2.1方案选择本设计主要有硬件与软件两部分组成，只要将两部分协调应用，发挥出各自的优势，就能设计出最完美的系统。2.1.1 硬件电路设计方案1.升压电路升压电路主要有以下四种选择：1） 经典的BOOST升压电路电路简单易于控制，电路体积小，但是输出纹波、开关噪声大，驱动脉宽要求从0到100%变化，如果要求升压比较高的情况下就不易达到要求。2） 单端正激升压电路升压比高，驱动PWM信号脉宽占空比不高，电路可控性好，但是由于有变压器的加入，电路的体积将会比较大。在开关管导通的瞬间，输入电源经过变压器箱输出电容充电，给负载提供电能5。由于在充能的时候，开关管处于导通状态，变压器上产生的反向电动势可能击坏开关管。3） 单端反激升压电路升压比高，驱动PWM信号脉宽占空比不高，电路可控性好，但是由于有变压器的加入，电路的体积将会比较大。在开关管关断的瞬间，输入电源经过变压器箱输出电容充电，给负载提供电能6。由于在充能的时候，开关管处于关断状态，变压器上产生的反向电动势不会给开关管造成巨大的压力。4） 推挽升压电路升压比高，驱动PWM信号脉宽占空比不高，电路可控性好，但是由于有变压器的加入，电路的体积将会比较大。推挽电路由两个单端组成，不管是在导通还是在关断的时候，变压器上产生的反向电动势都会给开关管造成毁坏性的压力7,8。BOOST升压电路简单，容易制作电路，调试简单；在单端正激升压、单端反激升压、推挽升压电路9的比较中，由于单端反激升压给开关管造成的压力小，可以增加系统的稳定性与寿命，故升压电路采用BOOST升压与单端反激升压结合组成两级升压电路。2.逆变电路逆变电路主要有以下三种选择：1） 半桥逆变电路两个开关管组成两个桥臂，两路相位相差180的SPWM波驱动，使两个桥臂交替导通10,11。驱动容易，体积小，逆变功率大，电路简单。2） 全桥逆变电路四个开关管组成四个桥臂，两路两组相位差为180度的SPWM波驱动四个开关管12,13,14，致四个桥臂交叉导通，驱动简单，体积小，逆变功率大。相对半桥逆变器，全桥逆变的开关电流与被逆变电压减小了一半，因而在大功率逆变中应用较多。3） 使用带中心抽头变压器的逆变电路由带中心抽头的变压器与两个开关管组成2,15，其驱动方式去半桥驱动极其相似，驱动方式也是相当简单，但是由于变压器的加入，其体积远大于前面两种逆变电路，因而适用于中小功率的逆变中。综上三种电路比较，有半桥逆变只有两个桥臂工作，其被逆变电压是四桥臂全桥逆变的两倍，考虑到升压电路的升压比较大，电路不易实现，放弃使用半桥逆变，而中心抽头变压器逆变的体积又过大,所以本设计最终采用全桥逆变电路。3. 显示器1） 八段数码管显示数码管是简单的显示设备，只能显示阿拉伯数字与几个字母，在简单的装置或者不需要显示大量信息的设备上面适用，显示的信息量极少，但是成本很低，驱动简单，功耗低16。2） 12864液晶显示12864液晶屏分辨率较低，4行8列共32个1616点阵17，冷光显示，效果不佳，可视广角小，显示指令较少，能显示小量的信息，驱动比数码管难，成本较低。3） TFT液晶显示TFT-LCD液晶触摸显示屏的分辨率较高，可显示彩色图片，显示的信息量大，可视角广18，成本较高，驱动较难，但所有的TFT公司都会讲大部分的驱动程序给用户，只要了解基本的控制器程序，对TFT的操作也是相当的简单。综上三种显示器件比较，由于本设计要显示的信息量较大，并且还需要按键，最终选择TFT-LCD作为显示器件，不但可以满足显示信息量大的要求，同时还可以把按键集成到TFT上。4. 微控制器1）51单片机51单片机是Atmel公司生产的8位8031指令系统微控制器19，IO口无需寄存器设置即可双向通信，芯片内部外设较少，网络上资料齐全，程序简单易懂，外围电路简单，成本低，但是其最高时钟频率为24MHz，程序运行速度慢，并且稳定性不高，容易受到各种干扰。2）AVR单片机AVR单片机也是Atmel公司生产的8/16位精简指令微控制器，网络上资料比较齐全，程序比较复杂，但是其最高时钟频率为22MHz，程序运行速度比51单片机快，稳定性高，不容易受到各种干扰。3） STM32单片机 STM32F103ZET6单片机是ST(意法半导体)生产的，基于ARM内核的32位 RISC指令微控制器20。网络上资料较齐全，程序简单易懂，但是其最高时钟频率为72MHz，程序运行速度快，功耗低，并且稳定性高，不容易受到各种干扰，不过增强型的STM32单片机的成本较高，略低于高性能的AVR单片机。综上比较，因为系统要求控制效率高，运算的速度一定要快，内部外设要求较多，并且又要求其抗干扰性能好，能产生要产生稳定的PWM波与SPWM波，所以在逆变器的微控制器上选择高速的Cortex-M3单片机。2.1.2 软件设计方案本设计的软件包括几大部分：主程序、PWM波程序、PID电压控制程序、SPWM波程序、系统监控程序、显示程序。主程序的内容是微控制器系统、液晶显示模块、各个功能电路的初始化；PWM波程序主要是用来产生PWM波，驱动BOOST电路与单端反激电路；SPWM波程序主要用来产生SPWM波，驱动全桥逆变电路；系统监控程序主要是利用微控制器内部的外设AD，对系统电压与电流的监控管理，显示程序则是用来控制2.8寸TFT，将系统的信息以及监控的数据实时显示。采用PID控制的原因在于对输出电压稳定的考虑，不能产生较大的文波或者振荡，如果PID使用不得到，反而会对系统的输出造成较大的文波或者振荡。2.2系统总体设计本设计为低压逆变器，用来模拟完整的光伏逆变器。其系统的设计上，与市面上的光伏逆变器有相似之处，都是将输入的低压直流先进行升压，在将升高的直流电压进行逆变，所以在功能模块的设计上也有一定的雷同点。本系统主要有系统单独供电模块、Cortex-M3单片机控制模块、输入电源模块、输入保护模块、BOOST升压模块、单端反激式升压模块、全桥逆变模块、电源输出滤波模块、过压过流保护模块、电压与电流检测模块等几个模块电路。系统输入电压为1.5V，输出20V/50Hz正弦交流电压，最大功率10瓦，效率达75%。其系统框图如下：图2.1 系统总框图本系统使用单独的供电系统，可以在输入断电的情况下正常使用，保证系统的安全性，也使系统在低压状态下，所有的元器件能够工作，系统能够正常的运行。PID算法控制的引入，只要是使在输入电源足够的情况下，能够稳定的输出20V/50Hz正弦交流电压。并且系统具有过压以及过流断电保护功能，所有用的信息将会显示在TFT触摸屏上，以及部分功能按键也会集成到TFT上。2.3系统功能介绍本系统设计功能齐全，主要有以下几个功能:1） 一键启动：本系统采用智能化控制，可以一键启动系统，不在需要复杂的按键设置以及系统各个参数的设定。2） 显示功能:本系统使用2.8寸TFT液晶显示模块，将输入电压与功率、输出电压与功率、转换效率等信息显示出来。3） 输出调节：在输入充足的情况下，按下系统启动按键，系统将启动逆变系统，输出稳定的20V/50Hz交流电压，最大功率10瓦，转化效率超过75%。在特殊情况下，如果需要调整输出电压，本系统设置了输出电压调整按键，步进值0.1V。4） 输入输出保护功能：在规定的10W输出功率的情况下，如果其输入或者输出的功率超出了额定值，系统将启动自动保护功能，切断输入输出电路，使系统不会被烧坏。5） 输入输出保护调整功能：在特殊使用时，如果需要调整输入输出功率保护值，本系统设定了保护功率值调整功能按键，步进值0.1瓦。3硬件详细设计3.1 主控制器介绍根据本设计的具体要求，最终选用Cortex-M3内核单片机。为了有足够的引脚与高速的主频，因而选择STM32F103ZET6。Cortex-M3采用了ARM7的架构，运行速度快、性能高、稳定性好、功耗低。32位的CPU与普通的8位的单片机相比，在速度与性能上都是有飞跃性的差距。Cortex-M3内核单片机以其强大的功能，在现代的市场上在有举足轻重的地位，在许多的高性能、高速度的产品上，主控制器采用了STM32单片机，使整个系统完美的配合21。具体功能介绍：内核ARM 32位的Cortex-M3 CPU 最高72MHz工作频率 单周期乘法和硬件除法 存储器 从256K至512K字节的闪存程序存储器 高达64K字节的SRAM 并行LCD接口，兼容8080/6800模式 时钟、复位和电源管理 2.03.6伏供电和I/O引脚 416MHz晶体振荡器 内嵌带校准的40kHz的RC振荡器 带校准功能的32kHz RTC振荡器 低功耗 睡眠、停机和待机模式 VBAT为RTC和后备寄存器供电 3个12位AD 转换范围：0至3.6V 三倍采样和保持功能 温度传感器 2通道12位D/A转换器 DMA12通道DMA控制器 支持的外设：定时器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART 调试模式 串行单线调试(SWD)和JTAG接口 Cortex-M3内嵌跟踪模块(ETM) 多达11个定时器 2个看门狗定时器(独立的和窗口型的) 系统时间定时器：24位自减型计数器 2个16位基本定时器用于驱动DAC 多达13个通信接口 多达2个I2C接口(支持SMBus/PMBus) 多达3个SPI接口(18M位/秒)，2个可复用为I2S接口 CAN接口(2.0B 主动)USB 2.0全速接口 SDIO接口 3.1.1 STM32F103ZE 介绍根据本设计的具体要求，最终选用Cortex-M3内核单片机。为了有足够的引脚与高速的主频，因而选择STM32F103ZET6。Cortex-M3采用了ARM7的架构，运行速度快、性能高、稳定性好、功耗低22,23。32位的CPU与普通的8位的单片机相比，在速度与性能上都是有飞跃性的差距。Cortex-M3内核单片机以其强大的功能，在现代的市场上在有举足轻重的地位，在许多的高性能、高速度的产品上，主控制器采用了STM32单片机，使整个系统完美的配合。在高速的控制产品上，STM32单片机的应用相当广泛，例如：GPS定位系统，GSM通讯设备，无线路由器。STM32单片机高速的不可替代性，使其在新型高速高稳定新的新产品应用上占据重要的位置。STM32F103ZET6有144个引脚，足以满足较大系统的I/O接口要求，属于STM32的增强型系列，32位RISC性能处理器，片内硬件除法和单周期乘法24。80个可用I/O，大部分兼容5V电压512KB片内FLASH，64KB片内RAM72MHz工作主频片内BOOT功能，支持ISP下载片内双RC 晶振,提供8M和32K 的频率片外可挂8M高速晶振与32K低速晶振支持外置电池，断电保护数据4个通用定时器,2个高级定时器,2个基本定时器3路SPI接口，2路I2C接口,5路USART,一个USB从设备接口，一个 CAN接口,SDIO接口可兼容SRAM,NOR和NAND Flash 接口的16位总线-FSMC3路12位AD3.1.2 STM32原理图STM32F103ZET6的型号标识和参数如下表所示：表3.1型号标识图3.2 STM32F103 引脚图图3.3 STM32F103ZET6 实物图3.2 BOOST电路设计BOOST电路主要负责将1.5V的输入电压第一次升压，升压比1:3，大概只要能将电压提高到4.5V左右。3.2.1 BOOST升压电路经典的BOOST升压电路主要有开关管、电感、整流二极管、滤波电容组成。图3.4 BOOST升压原理电路3.2.2 BOOST升压原理如上图，当三极管导通时，电流由电源流过电感到地，给电感充能，此时的二极管处于反向截止状态，防止电容内的电荷对地放电25,26。当开关管关断时，电感内的磁能转换为电能，经过正偏的二极管对电容充能，因为电感内的磁能不会马上完全释放，所以对电容充电的时间将会延迟一会儿。当开关管导通时，电容内的电能也不会流过二极管对地放电，只能将电能输出给负载，并且不会马上将电容能的能量全部放出，会延迟一会儿。这样，电容内的能量还未放完，电感就会对电容充一次电，当开关频率升高时，电容内的电荷积累，就会是电压升高。3.2.3 BOOST升压系统电路通过实验与理论计算开关管使用低压锗型材料MOSFET，二极管更换为速度更快的快速恢复二极管。BOOST升压系统电路如下图：图3.5 BOOST升压电路3.3 单端反激式升压电路设计为了能够满足设计的要求，综合所有的因素，本设计选择了单端反激式升压电路。3.3.1 单端反激式升压电路单端反激升压式电路主要由开关管、整流二极管、滤波电感、滤波电容组成。其输入供电电压低，适合低压输入升压；输入电流大，可提供输出功率大；输入与输出隔离，降低系统间的干扰，增加系统稳定性与安全性。图3.6 单端反激式升压原理电路3.3.2 单端反激式升压原理单端反激式升压电路原为单端反激式变压器，又叫电感储能变压器27。如图3.4，单端反激式升压电路主要靠微控制器产生一路驱动PWM波加载到开关管Q上来驱动。直流电压直接加在变压器T1上，当PWM信号使Q导通时，直流电压给变压器T1初级线圈Np充电，以致变压器T1的次级线圈Ns上产生返反向的电动势，迫使整流二极管VD1反向截止，导致了变压器T1的初级线圈上的电能被储存起来。而当PWM信号与之前反向180度时，开关管Q关断，变压器T1初级线圈Np上储存的电能就开始释放，电压极性也与之前的相反，导致次级线圈Ns上的极性也跟着颠倒，那么此时整流二极管VD1就能导通，那么变压器将把能量释放给负载。到电路的元件参数选定以后，电路的输出电压主要由驱动PWM信号的占空比决定，占空比越高，输出电压越高，占空比越低，输出电压越低。反激电路中，输入电源电压Uin与次级线圈Ns上的副边反射电压Uf的和不能超过开关管的耐压值Umos，并且还得有一定的余量Va，其方程式如下： （3，1） 输出电压Uout与副边反射电压（反激电压）Uf的关系主要是有变压器的初级线圈Np与次级线圈Ns的匝数比决定，其方程式如下： （3，2）驱动PWM信号的最大占空比Dmax出现在最低输入电压Uin min和最大输出功率Pout max的情况下，其方程式如下: （3，3）3.3.3 单端反激式升压系统电路通过理论计算实验验证，最终采用80KHz的PWM信号作为开关管的驱动，选用匝数比为1:6的变压器，Q使用低压驱动压降小的增强型锗材料MOSFET，将原理图中的整流二极管更换为速度更快的快速回复二极管，这样可以是输出的波形更加稳定。具体的电路图如下:图3.7 单端反激式升压电路3.4 全桥逆变电路设计基于课实现性与成本等综合因素，本设计采用最为经典的全桥逆变电路与经典的IR2110 MOSFET驱动电路。3.4.1 全桥逆变如图3.6所示，全桥逆变电路主要有四个开关管（T1、T2、T3、T4）组成，他们被称为桥臂，其中T1与T4为一对,T2与T3为一对。在两路相位相差180度的SPWM波的驱动作用下，两队桥臂交替导通，在a、b两点形成脉宽变化的脉冲电压。在a、b两点加上滤波电路后，Uo将会输出稳定的交流电压。图3.8 全桥逆变原理电路3.4.2 SPWM控制原理要知道SPWM原理，就要明白PWM原理。PWM(Pulse Width Modulation)全称为脉冲宽度调制，通过改变方波的高电平的比例(占空比)达到跟降压一样的效果，经常应用在调压调速上28,29。其实PWM是一种模拟的控制方式，主要是利用为微处理器产生随时间变化的相应载荷，来控制MOSFET栅极或IGBT基极，使其能够随时间变化导通或者截止。这种方式经常用在微控制器对模拟电路的控制上。SPWM（Sinusoidal PWM）全称为正弦脉冲宽度调制。如图，将一个正弦波等宽度分成若干等分，在用等面积法就将它们转换成冲量相同脉冲宽度呈正弦规律变化频率一定的PWM波，就形成了SPWM波。图3.9 SPWM波原理3.4.2 全桥逆变系统电路本设计具体逆变电路如图3.8所示，其中全桥的四个桥臂Q1与Q4为一组，Q2与Q3为一组，将相位相差180度的两路SPWM波分别加载到两组桥臂上。输出采用LC电源滤波，将一系列的脉冲转换成正弦交流电压。图3.10 全桥逆变电路3.4.3 全桥驱动电路本设计采用80KHz的SPWM波驱动全桥电路逆变，未了能使MOSFET较少发热，使用IR2110驱动电路，使MOSFET的开启、关断时间降低。IR2110是美国IR公司生产，用来驱动功率MOSFET 或者IGBT。IR2110采用COMS工艺，有独立的高端与低端输入输出，采用电容自举电路，驱动方便，开通关断延迟小，驱动方式简单，体积小，外围电路简单。IR2110特点：逻辑电源电压5-20V；兼容TTL与COMS信号；独立的高低端输入通道；采用COMS施密特触发器输入，提高抗干扰能力；开关频率最高达500KHz；开通延迟为120nS，关断延迟为90nS；输出最大缝制电流2A；高侧通道可承受500V电压。其内部原理如下图：图3.11 IR2110内部原理本设计使用PC817光耦驱动IR2110,将为控制器与驱动电路隔离起来，增加系统的抗干扰能力。其具体电路如下图：图3.12 IR2110的MOSFET驱动电路3.5 过压过流保护电路为了增加系统的稳定安全性，本设计使用由微控制器控制的继电器保护电路。系统初始化为继电器断开，当控制器检测完所有的电压电流有处于安全状态后，启动逆变程序，接通继电器，逆变电源正常工作。3.5.1 电压检测电路本设计的输出电压为20VAC，电压检测不能跟检测直流一样，使用电阻分压网络，直接微控制器内部AD采样。如果使用简单的整流电路，将交流转换成直流检测，因为整流管的压降问题，将会直接影响测量的精度。本系统采用专业的交流电压检测芯片AD637来测得交流电压，大大提高了测量的精度，使输出电压更加稳定。AD637是ADI公司生产，用来计算任意波形的真均方根。AD637是一个完整的高精度单芯片均方根直流转换器，外围电路简单，稳定性好。在分压电阻的选择上值得注意的是，分压电阻的阻值得稳定性，在温度变化时，阻值的变化不易过大；阻值的的选择上，阻值不宜过大也不易过小，能使分压网络的的电路在0.1mA1mA就好。AD637特点：高精度；0.02%最大非线性，0 V至2 V均方根输入30；可计算绝对值、均方值、平方值、真均方根值；静态电流从2.2 mA降至350 A；8 MHz（2 V均方根输入）；宽带较宽；波峰因数为3时，附加误差0.10%；600 kHz （100 mV均方根输入）；0dB输出（60 dB范围）。下图为本设计的AD637交流电压测量模块电路:图3.13 交流电压检测电路3.5.2 电流检测电路本设计采用集成芯片ACS712模块测量电流。ACS712是Allegro公司生产，采用霍尔感应原理的电流传感器31。用来隔离测量电流大小，带2.1 kVRMS 电压绝缘、低电阻电流导体，性能超高，噪声极低。本系统的输入的电流达到10A,在输入端的电流检测上使用ACS712-20A,其检测电流范围020A，可以达到要求。具体的特点如下：Low-noise 模拟信号路径器件的带宽是通过设置新的筛选器引脚5 s 输出响应上升时间步输入电流50 kHz 带宽总输出 1.5%错误 TA= 25C和 4%日至40C 85C占地面积小，low-profile SOIC8 包装1.2 毫欧内部导体电阻5.0 V单电源操作到 66 -185 输出灵敏度 mV/A输出电压正比于电流 AC 或 DCFactory-trimmed 的准确性极度稳定的输出偏移电压几乎为零的磁滞电源电压的成比例输出而在输出电路部分，其输出电流只有不到1A，所以在输出部分与输入有所区别，就是在输出电路的电流检测上使用ACS712-5A，其检测电流范围01A。具体的特点如下：Low-noise 模拟信号路径器件的带宽是通过设置新的筛选器引脚5 s 输出响应上升时间步输入电流50 kHz 带宽总输出 1.5%错误 TA= 25C和 4%日至40C 85C占地面积小，low-profile SOIC8 包装1.2 毫欧内部导体电阻5.0 V单电源操作到 66 -185 输出灵敏度 mV/A输出电压正比于电流 AC 或 DCFactory-trimmed 的准确性极度稳定的输出偏移电压几乎为零的磁滞电源电压的成比例输出本系统的输入电流较大，在电流的测量电路中，线路的宽度比一般的测量线路要宽，不然可能会因为电路发热二烧毁系统。ACS712的内部原理图：图3.14 ACS712内部原理图其实物图如下：图3.15 ACS712实物图ACS712-20A引脚描述：图3.16 ACS712-20A引脚描述ACS712-5A引脚描述：图3.17 ACS712-5A引脚描述下图为本设计的ACS712电流测量模块电路:图3.18 电流检测电路3.6 TFTLCD液晶显示系统本设计TFT-LCD模块。TFT-LCD是现在现代信息时代的最佳选择。现代的液晶显示功能已经渗透到各行各业当中，生活中最为常见的就是我们的手机，其它比如电脑、平板、MP3、MP4、各种家用设备。液晶屏的出现，拉近了人与机器的距离，让人与机器之间可以沟通交流。3.6.1 TFTLCD介绍TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）即薄膜晶体管液晶显示器，也叫做真彩液晶显示器32。该模块有如下特点： 1，2.4/2.8/3.53种大小的屏幕可选。 2，320240的分辨率（3.5分辨率为:320*480）。3，16位真彩显示，一般要求的彩色图片可以显示。 4，自带触摸屏，可以用来作为控制输入。 本设计使用2.8英寸TFT-LCD模块，分辨率240*32016位并口，带触摸功能，可以将系统所需要的所有按键集成到TFT上。该模块的外观图如图3-8所示： 图3.19 2.8寸TFTLCD外观图该显示模块的原理图如下：图3.20 TFTFLCD模块原理图此模块使用TFT的16位并口数据总线，二未使用8位的，可以增加数据传输的速度。因为彩色照片的信息量较大，所以在使用TFT时都要求使用大数据量传输接口。该模块的80并口有如下一些信号线： CS：TFTLCD片选信号。 WR：向TFTLCD写入数据。 RD：从TFTLCD读取数据。 D15：0：16位双向数据线。RST：硬复位TFTLCD。 RS：命令/数据标志（0，读写命令；1，读写数据）。TFTLCD显示需要的相关设置步骤如下： 1） 与TFT链接的I/O口初始化（包括时钟、方向与模式），本设计使用FSMC功能。2） 初始化TFTLCD模块。3） 通过函数将字符和数字显示到TFTLCD模块上。3.6.2 FSMC介绍 STM32的内部外设丰富，可选择性强，让用户在各种不同的应用中都能满足设计的要求。现代的液晶显示功能已经渗透到各行各业当中，生活中最为常见的就是我们的手机，其它比如电脑、平板、MP3、MP4、各种家用设备。液晶屏的出现，拉近了人与机器的距离，让人与机器之间可以沟通交流。因为液晶技术的兴起，FSMC技术也将随之兴起，FSMC即存储器扩展技术，其满足不同的大容量静态存储器的拓展。FSMC(Flexihie Static Memory Controller，可变静态存储控制器)是增强型的STM32单片机特有的存储机制。FSMC机制不是针对某一款存储器定制的，对寄存器设置可以改变FSMC的功能，在其它的存储器上使用。FSMC 的框图如下：图3.19 FSMC框图 4 软件设计4.1主程序主程序是一个系统的关键，一个系统的有最主要在于主程序的优化，本设计的主程序主要是根据各个功能模块的需要而设计的。4.1.1 主程序功能介绍主程序包含有：微控制器自身功能初始化、电压电流检测模块初始化、LCD显示初始化、过压过流保护模块初始化、单端反激升压模块初始化、全桥逆变模块初始化、电压电流检测程序、信息显示程序、过压过流保护程序、pwm波产生程序、PID升压控制程序、SPWM波产生程序。4.1.2 主程序流程图 本设计的主程序流程图如下：开始 系统初始化电压电流检测电压电流是否在规定范围内NO显示错误信息延时10SYES显示电压、电流功率等信息接通过压过流保护启动逆变图4.1 主程序流程图4.2 PWM波产生程序PWM波程序是使用定时器在规定的时间产生高低电平，高低电平的频率一定是就出现了PWM波，所以只要控制定时器的时间寄存器就能产生出PWM波。Cortex-M3单片机的定时器具有PWM功能，所以在使用时较为简单，不像51单片机那样复杂。PWM程序步骤:1） 开启定时器的时钟以及复用功能时钟，配置相应引脚为复用输出2） 设置定时器重映射3） 初始化定时器,设置定时器的ARR和PSC4） 设置定时器通道的PWM 模式，使能定时器通道输出4.3 PID电压调整程序PID（Proportion Integration Differentiation)控制是工业自动化中必不可少的一门控制方法，其又叫PID调节器。PID控制器分为3个控制系统：比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）。比例控制比较简单，通过比例放大系统输入输出的差值，来控制系统。积分控制就是通过积分放大系统输入输出的差值，来控制系统。微分控制就是通过微分放大系统输入输出的差值，来控制系统。1) 比例系数Kp对系统的影响比例系数主要控制着系统的灵敏性。Kp大，则系统的反应快；反之，Kp小，反应则慢。但是Kp并不是越大越好，适当增大可以使系统的灵敏性增加，如果Kp过大，将会是系统不稳定而产生振荡，延长系统的调节时间，是系统的性能大大降低。KP的符号主要有采集系统与执行单元的关系确定，KP的符号决定了系统运行的方向，如果Kp的符号取反了，那系统的输出将会与理想状态差距越来越大。2) 积分系数Ti对系统的影响积分系数Ti主要用来消除系统的稳态误差，可以是系统的输出精度更高。但是Ti的引入，也会降低系统的稳定性，使系统产生振荡。3）微分系数Td对系统的影响微分的引进可以改善系统的动态特性。Td偏大时，超调大，调节时间短。Td偏小时，超调量小，调节时间长。PID控制程序的确定步骤:1) 选定采样传感器，采集出来的必须是数字量，如果不是数字量，要通过AD转换或者其他方法转换成数字量；2) 计算或者检测出传感器的输入量的大小，确定PID控制函数，一般采用增量式PID控制，不推荐位置式PID；3) 根据确定好的PID控制公式，用单片机程序表达出来，可以参照国外专家PID的原例子；4) PID参数整定，选择适合系统的PID参数，当然可以只使用Kp、Ti控制，将Td赋值为0。4.4 SPWM波产生程序SPWM波主要是用来驱动全桥逆变电路，其