单相正弦波变频电源.docx

单相正弦波变频电源（D题）摘要：本单相正弦波变频电源装置，由直流电源输入24v，直流电源分为两路：一路再次经过Buck电路成为辅助电源模块，另一路通过同步Boost电路升压至一定值供逆变器使用。后级逆变采用单相全桥拓扑，使用TI公司的单片机MSP430G2553产生所需要的SPWM驱动波形，实现单极性全桥逆变。装置包含输入输出电压电流采样电路，拥有过压欠压保护、过流短路保护，对输出的电能进行实时监测并保证装置安全。同时，可通过独立按键调整频率参数，可以任意变化频率。经测试，本装置稳定可靠，并完成了所有题目要求的指标。关键词：变频电源；全桥逆变 ；SPWM1、系统方案论证根据题目要求，设计系统总体方案如图1所示。系统主要由boost升压变换模块、DC-AC变换模块、采样反馈模块、辅助电源模块与核心控制模块组成。系统框图如图1所示。 输出 AD/DC 输入 Boost 升压电流电压采集 SPWMPWM反馈网络单片机 辅助电源图1 系统总体框图1.2 升压方案选择方案一：采用变压器升压，快捷方便，但是高功率变压器体积庞大笨重适合升220V交流时采用。方案二：采用boost升压，需要搭载boost升压电路以及驱动较为麻烦，但是可控性强。综合考虑题目的要求，选择方案二。1.2 DC-AC逆变方案选择方案一：采用硬件产生SPWM信号驱动全桥电路进行逆变。此方案电路设计复杂，增加整体系统复杂性和不可靠度，且硬件调节频率，无法做到精确快速调节。方案二：采用软件编程，由单片机产生SPWM信号驱动全桥电路进行逆变。此方案虽然一定程度增加了单片机工作量，但操作简单，易于实现，具有可调节，精度高的特点。综合考虑题目的要求，选择方案二。1.3 辅助电源选择与设计方案一：双电源供电：由于AD637芯片是需要正负双电源供电，所以辅助电源必须要有一个负电源，所以可以采用buck电路来得到正电源，由buck-boost反极性拓扑电路得到负电源，但是buck-boost会造成系统电路的不稳定，很有可能会损坏芯片。方案二：单电源供电：单电源电路设计简单，主要采用buck降压电路将输入电源电压降到12V供电。但是这就需要重新设计AD637电路，要使AD637能单电源供电，这样检测部分的电路就会比较复杂。为了确保设计能稳定有效的进行，选择方案二。1.4 检测与控制电路方案选择与设计1.4.1 主控选择 方案一：采用TI公司的MSP430G2553作为主控器，其最主要的特点是功耗较低，可以提高整体系统的效率.。方案二：采用TI公司TMS320F28335的DSP作为主控器，其主要特点是浮点运算快，适合用于控制逆变并实现瞬时控制。但功耗较大，且软件较为复杂。综合上面的方案，本次设计的主控器采用MSP430G2553。1.4.3检测模块选择方案一：采用AD637芯片，由于只有正电源供电，于是可以将AD637电位整体抬高，用3个电位形成双电源0V、3.3V、12V。这里由于是采集半路的分压电压值，所以输入永远在0v以上可以保证不会截至。然后将抬高了3.3V的有效值输出通过一个差放大器将电位减去3.3V。得到有效值送入单片机。方案二：采用半路电阻分压后，直接将交流信号送入单片机，由单片机进行采点分析有效值，这样的缺点是会大大拖慢程序运行速度，而且精度不高且得出的有效值也不稳。 通过比较，最终选择方案一。2、理论计算与电路设计 2.1 boost参数计算 该部分采用同步整流升压电路，由于MSP430G2553的两个定时器中只有一个定时器能输出双路互补PWM，已经被逆变的SPWM占用的了一个资源，所以我们只能采用能单路变双路输出的IR2104作为驱动管。由于IR2104驱动能力不足，所以驱动较慢，同时为了满足单片机控制需要，这里的同步整流采用的10KHz的频率，因为较低的开关频率，我们需要更大的电感，我们这采用了1mH的电感。以及470+100uF的电容。用于需要过压以及欠压保护，输入我们采用的两个分压电阻，用单片机来采集输入电压值。图3 boost升压电路 2.2 DC-AC逆变参数计算该模块电路采用全桥逆变拓扑，MOS管采用低导通损耗的IRF4310。该开关管最大漏源电压100V，导通阻抗低至5.6m，符合要求且性能优良。综合考虑输出滤波器尺寸和开关损耗，取SPWM开关频率为6kHz，则按照经验，取LC滤波器截止频率为500Hz即可。即截止频率 (2-1)此处取滤波电容47uF，则电感为2.1mH。全桥逆变电路原理图如图3所示。图3 全桥逆变电路2.3 电压电流采样电路设计使用单路电阻分压和电流互感器对电压电流进行采样，电流互感器搭配一个放大器可以将电流值转化为电压值。由公式 (2-2)取合适的电压值，可以算出Rf为1.6K。 使用AD637有效值转化电路，将交流转化为直流信号，因为AD637的供电是抬高3.3V供电，所以AD637输出为： (2-3)所以利用差分放大电路构成减法电路,将输出降低3.3V，即检测部分输出： (2-4)电压电流采样原理图如图4所示。图4 AD637有效值转化电路电路 2.4 辅助电源设计估算系统辅助电源功耗小于2W，但直接从直流母线取电使用三端稳压器稳压，将会使其发热严重，效率很低，故采用开关电源.图5 辅助电源电路3、程序设计3.1 软件程序描述本系统软件程序使用查表法产生两路互补的SPWM驱动信号，以提供给逆变部分进行全桥逆变；通过采集电压电流信息进行电压闭环控制，并使用电流进行补偿，利用PWM从而控制Boost升压部分的输出电压，达到稳定输出电压的目的.单片机同时采集了3路信号：输出电压信号，输出电流信号，输入电压信号。同时独立按键也作为输入信号。单片机主要控制的部分有boost和逆变。过流保护与过压欠压保护均可通过控制逆变而使得输出为0。3.2 软件思路框图软件部分程序框图如图所示。图6 程序流程图4、测试方案与测试结果4.1 测试方案根据题目要求，结合实验室现有的仪器设备，设计测试连线图如下：图7 测试连线图4.2 测试条件与仪器稳压电源（兆信605D）、示波器（TBS1102）、手持万用表（FLUKE 17B）、大功率电阻。4.3 测试结果与分析 4.3.1 测试结果(1)设定输出频率50Hz，改变输入电压，测试输出电压。测试结果如下：输入电压实测频率f（Hz）20.0030.0450.0070.0490.01100.00实测输出电压(V)36.1336.0936.0136.0035.9735.96(2)满载情况下，测试的效率：实验次数输入电流Ii（A）输入电压Ui(V)输出电流Io（A）输出电压Uo（V）12.0136.0222.0536.0232.0336.0142.0536.03(3)设定输出电流在0.2A时，测量输出电压Uo1，输出电流为2A时，测量输出电压为Uo2，计算负载调整率，测试结果如下:实验次数输出电压Uo1(V)输出电压Uo2(V)负载调整率(%)136.1335.970.44236.1035.980.32336.1136.000.30436.1036.010.25 (4)设定输出电流Io=2A，调节U1为198到242V。测量输出电压Uo1和Uo2，计算电压调整率实验次数输出电压Uo1(V)输出电压Uo2(V)电压调整率(%)136.0036.040.10235.9936.030.10336.0036.030.08436.0136.050.13 (5) 测量Io=2A，Uo=36V时，输出电压的THD=0.8%，此时根据记下的数据计算效率为93.8%。当输出电流达到2.4A时，电路进行保护。4.3.2 测试分析由上表的数据计算知，Io在0.2A到2A之间变化时，负载调整率均小于要求的0.5%；在198V到242V之间变换时，电压调整率均小于要求的0.5%；在输出电流为2A时总谐波系数THD=0.8%，小于所要求的2%；过流保护正常。但输出频率为20Hz时，电压误差超过0.1V，有待继续修正。参考文献1高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程.北京：电子工业出版社，2007.2梁适安.开关电源理论与设计实践.北京：电子工业出版社，2013.3沙占友，王彦朋，安国臣，孟志勇.开关电源设计.北京：中国电力出版社，2009.4陈永真，孟丽囡.高效率开关电源设计与制作.北京：中国电力出版社，2008.5铃木雅臣.晶体管电路设计.北京：科学出版社，2004.6杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，2006.附录附录一：辅助电源原理图附录二：部分程序代码ad = ADS_Read_Filter(ADS_Mode_01);adi = ADS2_Read_Filter(ADS_Mode_01);if(adi = 2.60f)Buzzer_On;if(adi = 2.5f) & (i_pro_flag = 1)while(1)DAC1_Set(0);ROM_TimerDisable(TIMER0_BASE, TIMER_A);ROM_PWMGenDisable(PWM1_BASE, PWM_GEN_3);GPIOPinWrite(GPIO_PORTE_BASE, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_4);if(spwm_f 50.0f)v_set = adi * 0.008f + (spwm_f - 50.0f) * 0.00005f+ v_base;OLED_PrintValueF(52,4,ad,4);OLED_PrintValueF(52,6,adi,4);v_err = v_set - ad;if(spwm_f 50.0f)v_pid = (int16_t)(1.5f * (v_err - v_lasterr) + 0.3f * v_err + 0.058f * (v_err - 2.0f * v_lasterr + v_preserr) * 65535.0f / 5.0f);v_preserr = v_lasterr;v_lasterr = v_err;v_PID_Out = v_lastout + v_pid;v_lastout = v_PID_Out;DAC1_Set(v_PID_O