逆变电源.doc

题号 题号 A A 武汉理工大学第四届电工电子武汉理工大学第四届电工电子 创新设计大赛设计报告创新设计大赛设计报告 题目 逆变电源题目 逆变电源 参赛者 唐军参赛者 唐军 学院班级 信息工程学院班级 信息工程 电子电子 08020802 联系方式 联系方式 1597146784015971467840 评分标准 评分标准 项目满分得分 基本要求 总分 目 录 摘要 I 1 方案论证 1 1 1 方案论证 1 2 理论分析 1 2 1 全桥逆变原理 1 2 2 SPWM 产生原理 1 2 3 输出 LC 滤波电路 2 3 系统设计 2 3 1 系统硬件设计 2 3 1 1 系统整体框图 2 3 1 2 全桥逆变电路 3 3 1 3 驱动电路设计 3 3 1 4 滤波电路设计 4 3 1 5 过压保护电路 4 3 1 6 控制系统电路设计 5 3 2 系统软件设计 5 3 2 1 软件流程 5 4 仿真结果与分析 6 4 1 SPWM 仿真结果 6 4 1 MOS 管驱动电路仿真结果 7 4 1 全桥逆变电路仿真结果 7 4 1 滤波电路仿真结果 8 4 1 过压保护仿真结果 8 4 总结 8 参考文献 9 I 摘要 摘要 本文设计了高性能的直流到交流的数字式正弦逆变电路 本系统以 MSP430F2491 单片机作为核心控制器 以查表法软件实现 SPWM 波 从而控制全桥逆变电路 实现从 DC 到 220AC 的逆变电路 使用变压器对输出电压进行放大 并且通过 MSP430 内部的 AD 实现对输出电压的采集 控制逆变桥的输出幅值 实现闭环控制 设计了输出保护电 路 使得系统能够更好的稳定工作 关键词 单片机 SPWM 逆变桥 1 1 方案论证 1 1 方案论证 方案一 通过正弦波和三角波进行比较实现正弦波的调制 得到 SPWM 控制逆变桥 的通断 实现直流到正弦交流的变换 本方案要实现 SPWM 波 要先得到正弦波和三角 波 不管是使用 DDS 还是模拟电路实现 都会使得整个系统变得复杂 方案二 采用专用的 SPWM 芯片 专用的 SPWM 芯片能够方便的产生所需要的 SPWM 波形 并且波形稳定 操作方便 但是由于专用的 SPWM 芯片较难买到 并且较 贵 所以舍弃此方案 方案三 采用单片机软件实现 SPWM 波 该方案充分利用 MSP430 内部资源 使用 定时器实现 PWM 波 再通过软件计算控制 PWM 的占空比 从而实现 SPWM 波 本方 案简单易于实现 也能够方便的控制产生各种频率和脉宽的波形 1 2 方案选择 通过论证 基于简便易行 成本低廉以及实现效果综合考虑 本系统采用方案三 基于 MSP430 的 16 位单片机软件实现 SPWM 波 控制全桥逆变 在使用单片机的内部 AD 采集输出电压实现闭环控制 达到稳定输出的 DC 到 AC 的变换 由于 16 位单片机用 于大量的计算略显吃力 本系统先离线计算好所需要的占空比 再查表法实现 SPWM 的 控制 2 理论分析 2 1 全桥逆变原理 要交直流电源转换为交流电源 可以通过开关原理 通过控制开关的通断得到相应 的方波 由傅立叶级数可知 方波可以展开为正弦波的和 从而得到相应的频率的谐波 分量 2 1 ttt U U o 5sin 5 1 3sin 3 1 sin 4 以一定的滤波手段 即可得到所需频率的正弦波 通过适时 适式的控制逆变桥 即是的通断按照正弦规律变化 这样可以最大量的增加基波分量 可以提高电源的效率 与幅值 2 2 SPWM 产生原理 逆变器的输出电压是正弦波 2 2 tUtu sin 逆变电路实际上只能输出方波 基于 SPWM 波调制的逆变技术 根据冲量等效原理 大小 波形不同的窄脉冲变量作用域惯性系统时 只要变量对时间的积分相等 其作 用效果基本相同 所以通过控制逆变桥四个开关管进行实时 适式的通断 得到多个脉 波电压的交流电 SPWM 波 即可得到正弦波形的效果 SPWM 波的脉宽要满足式 2 2 3 tdtUtUdtU mmDD sin 1 由上式可以得到 SPWM 波的脉宽计算公式 2 4 ttdU UD m sin 1 2 5 cos1 cos 1 P m P m U U D m m 由题中要求可以设定相应的参数从而得到脉宽的 m 2 3 输出 LC 滤波电路 逆变器的输出负载采用 RLC 串联电路 由 RLC 串联电路谐振频率 2 6 LC f 2 1 0 品质因数计算式 2 7 R L Q 0 由于全桥逆变电路的输出为 50 Hz 的基波以及其他高低次谐波 为了得到纯正的正 弦波形 必须考虑设置滤波环节 因为谐波主要集中在 1 倍和 2 倍 fSPWM 附近 所以 设置截止频率 fC 为 fSPWM 5 由 RLC 串联谐振频率计算公式即可得到相应的电感电容 的值 3 系统设计 3 1 系统硬件设计 3 1 1 系统整体框图 3 图 3 1 系统框图 系统整体框图如图所示 通过微控制器采集输出电压 并且反馈控制 MOS 管驱动从 而控制逆变桥的通断调节输出电压 后级通过变压器升压以及低通滤波电路使得系统输 出稳定的正弦交流电 3 1 2 全桥逆变电路 逆变电路是逆变电源的核心组成部分 完成将直流电压转变为交流电压的过程 系统 需要正负电压 因此需要全桥逆变 采用由 4 个 MOS 功率管组成全桥逆变电路 分别使 用两个 P 管两个 N 管 将其栅极控制端短接用一路 PWM 控制 使得每个半桥不会同时 导通而不必考虑死区设计 电路如图所示 图 3 2 全桥逆变 逆变桥 MOS 管的选型要注意 MOS 管承受的电压 以及电流 电流的大小决定了系 统的输出功率 逆变桥的功率管由于要快速开关对开关频率有一定的要求 P 管选择 IRF9540 最大电流为 23A 功率完全能够达到要求 IRF9540 的开关频率在百纳秒以内 系统的需要的开关频率由 SPWM 的频率所决定 频率在几十 K 以内 该功率管的频率也 能满足要求 3 1 3 驱动电路设计 4 由于全桥逆变采用了 P 型和 N 型的对管思路 MOS 管的驱动电路也就简单了许多 不在需要浮动的驱动电压 只要普通的方波就能驱动 由于单片机出来的 SPWM 波幅值 比较小 需要对其进行放大处理 系统中采用比较电路的思想实现 SPWM 波的电压放大 处理 使用两个电压比较器 将比较器的正向和负向端分别接不通的信号 实现两路互 补的 SPWM 波 用于分布控制两个半桥的通断 图 3 3 MOS 管驱动 系统选用 HA17393 电压比较器 该比较器最大输出电压为 34V 完全能够驱动 MOS 管 并且比较 速度也在百纳秒级满足电路要求 HA17393 是集电极开路输出 所以输出要加上上拉电阻 3 1 4 滤波电路设计 逆变桥输出波形并不是正弦波 还要经过一定的滤波电路 才能得到纯真的滤波电 路 电路设计了 RLC 串联电路实现滤波 由理论分析可以得到 LC 的取值 电路如图所 示 在滤波电路前端 加了隔离变压器可以降低对电容的耐压要求 同时设置好匝数比 实现电压的放大 使得 12V 的交流电压变化为 220V 的交流电压 图 3 4 滤波电路 3 1 5 过压保护电路 在电路中设计了过压保护电路 使用 TI 德州仪器 公司的 TL431 作为过压控制器 件 TL431 是三端可调分流基准源它的输出电压用两个电阻分压进行设置 当阳极端电压 5 高于 Uref 时阳极与阴极导通 在电路中 当电压正常时 TL431 的阳极电压大于参考电 压 TL431 导通 继电器吸合电压正常输出 当输出电压大于设定的值 TL431 的阳极电 压小于参考电压 TL431 切断 继电器断开 输出断开达到输出保护的目 图 3 5 过压保护 3 1 6 控制系统电路设计 在系统中使用 MSP430F2491 单片机作为整个系统的控制 MSP430F2491 是德州仪器 生产的超低功耗单片机 具有丰富的片内外设可以很好的完成本系统的控制 其中通过 控制 MSP430 定时器实现 SPWM 波产生 并且通过内部 AD 对输出电压的采集 实现闭 环控制输出电压 3 2 系统软件设计 系统软件设计采用模块化设计 主要包括 硬件初始化模块 正弦表初始化模块 输出采集 闭环调节模块 中断处理模块 3 2 1 软件流程 软件设计经过各个部分的初始化后 通过内部 AD 对输出电压进行采集控制 SPWM 的占空比最大值 再查 SPWM 表控制定时器得到 SPWM 波形 同时实现闭环控制输出的 电压值 6 图 3 6 软件流程图 4 仿真结果与分析 4 1 SPWM 仿真结果 SPWM 的仿真使用 Protues 单片机仿真软件实现仿真 使用 IAR 编译环境编写 MSP430 单片机的程序生成相应的 hex 文件加载到 Protues 中的单片机中通过软件中的虚 拟仪器 示波器可以观察输出 SPWM 的波形 以及相应的频率和幅值 由波形可以看 出 SPWM 波的产生正确 通过读取示波器的频率值也可以得到相应的 SPWM 的频率为 50HZ 实现了 SPWM 波的软件产生 图 4 1 SPWM 波仿真结果 7 4 1 MOS 管驱动电路仿真结果 MOS 管驱动采用比较器使得输出驱动电压达 11V 使用 Multisim 软件实现仿真 仿 真结果如图所示 可以看出输出波形为 11V 的幅值 50HZ 180 度相位差的时间为 10ms 的 频率 将 SPWM 波放大到了 11V 实现了 MOS 管的驱动电路设计 图 4 2 比较器仿真结果 4 1 全桥逆变电路仿真结果 全桥逆变电路仿真输出波形如图所示 输出峰峰值 11V 由于 MOS 管有一定的导通 压降所以输出电压比电压电压要低一些 输出频率为 50HZ 实现电路要求 由电路仿真 结果可以看出 输出的波形是基本具有正弦波的形状 经过放大和滤波就能得到所需要 的波形 图 4 3 逆变仿真 8 4 1 滤波电路仿真结果 由 Multisim 仿真结果可以看出输出的电压为正弦波 输出幅值为 250V 图 4 4 输出仿真波形 4 1 过压保护仿真结果 将输入电压调整到 325V 由仿真结果可以看出在输出峰值上由于继电器的断开使得 输出电压受到限制不能达到输入的峰值 325V 输出电压波形的顶部被削平 从而达到了 输出保护的措施 通过调节变阻器可以调整输出保护的上限值 图 4 5 过压保护仿真结果 4 总结 9 本系统使用查表发软件实现了 SPWM 控制全桥逆变电路 实现了正弦逆变输出 并且通过采集输出电压实现闭环控制 保证输出幅值的稳定 整个电路使用 Pro