全国大学生电子设计竞赛设计报告-单相正弦逆变电源

单相正弦逆变电源概述：此操作使用由STM32输出SPWM信号控制的逆变器实现12V直流电源输入、36V正弦交流输出。该电源通过boost和全桥逆变两阶段转换，从前端boost boost电路到UC3842芯片控制PWM。逆变部分是利用IR2110驱动芯片和MOS开关管的全桥逆变器，通过程序的SPWM调制可以更改交流输出频率。输出交流信号通过AD637转换为有效值，然后由STM8微控制器模拟-数字转换，电压值等操作状态显示在LCD12864中。电路保护中采用了过流保护，提高了该电源的可靠性和安全性。测试结果表明，该功率输出信号稳定高效，人机交互良好，是理想的单相正弦逆变解决方案。关键字：单相正弦波逆变电源、SPWM、boost、全桥逆变器single phase sine inverter power supplyabstract : this work was designed by stm32 output SPWM control signal of inverter power supply，implementation to the 12v DC power input which changes AC output frequency . output AC signal through the ad 637 rms conversion after，Again by ST M8 modulus conversion，single-chip on the circuit protection，Adapted The over-voltage and over-current protection，enhanced The relieability and security of The power supportkeywords 3360 single-phase sine wave inverter、SPWM、boost booster、full bridge inverter目录1.设计工作和要求41.1设计工作41.2设计要求42.完整的程序设计52.1演示和选择计划52.1.1 DC-DC转换器程序演示和选择52.1.2演示和选择DC-AC转换器程序62.1.3演示和选择辅助电源程序62.2完整计划7单元模块设计83.1 DC-DC转换器设计83.2 DC-AC逆变电源设计93.3 SPWM设计103.3.1 SPWM波的原理103.3.2实施方法113.4真有效值转换电路设计123.5辅助电源设计13控制程序设计144.1 STM8控制和状态显示流程流144.2 STM32 SPWM控制程序进程155.系统调试155.1软件调试155.2硬件调试166.系统功能和指标参数176.1测试设备176.2测试项目和结论177.设计摘要17参考文献181.设计工作和要求1.1设计工作输出电压为36VAC的单相正弦波逆变电源的设计与制作。输入为12VDC电源，负载电阻。电路线路图如下图1.1所示。图1.1电路结构图1.2设计要求A.基本要求(1)输出电压波形是正弦波。使用示波器观察是否有明显的失真。(2)额定输入电压(DC)为10 V至14V，输出电压(AC)为36V0.5V，输出频率为：50HZ，额定满载输出为50W。(3)输出正弦波电压，THD5%。(4)满载条件下逆变效率70%。(5)超载、欠电压保护、超压动作电压=uo(th)=(15 . 50 . 5)v；低压工作电压为uo(th)=(90.5)v；(6)输出过流保护。过流io (th)=(1.550.1) aB.部分发挥(1)提高变频器效率90%。(2)输出正弦波电压，THD1%。(3)可以调整输出频率，调整范围为： 20HZ到100HZ(4)设计和制作逆变输出电压、电流、频率和功率的测量、显示和测量误差小于5%的电路。(5)具有输出保护功能，可以自动恢复。有操作和保护说明。(6)其他2.总体方案设计2.1演示和选择计划2.1.1 DC-DC转换器程序演示和选择案例1:boost转换器升压原理电路如图2.1所示。升压电路开关的开通和阻塞由外部PWM信号控制，电感l交替存储和释放能量。MOS管传导后，电以磁能形式存储在电感线圈中，电容器C0放电，电阻RL两端电压为V0。MOS管道关闭时，电源电压Uin将与电感自身电感电压Ul串行化，以高于V0的电压为电容C0，负载RL供电，因此，该电路是可以通过更改PWM控制信号的占空比适当地实现输出电压变化的boost电路。该电路采用直流升压，电路结构简单，损耗小，效率高。图2.1 boost boost转换器场景2:MC 34063 boost转换器由MC34063组成的增压转换器电路如图2.2所示。MC34063包括温度补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控振荡器、RS触发器和大电流输出开关电路。电感在释放能量的过程中，两端的电动势极性与电源极性相同，因此两个电源串联在一起，从负载中获得高于电源电压的电压。该变换器电路简单，适用于基于单片机的电路系统。图2.2 MC 34063 boost转换器选择方案：两种转换器都可以从DC 12V加速到52V，但是MC34063的开关频率较小，并且不能使用开环错误放大锁定占空比，因此电感和功率容量计算很复杂。与此相比，选择准确度和实现可能性较高的Boost电路。1 .2.1.2演示和选择DC-AC转换器程序场景1:全桥DC-AC转换器全桥DC-AC转换器。在整个桥接电路中，两个对角的开关同时打开，同一侧半桥的上下两个开关交替传导，将直流电压作为振幅值的交流电压添加到变压器中。改变交换机的工作周期也会改变输出电压。整个桥接电路如图2.3所示。图2.3全桥逆变器场景2:半桥DC-AC转换器在驱动电压的交替开关下，半桥电路由两个晶体管交替传导和切断功能，在变压器t的原侧产生高压开关脉冲，在第二边缘检测交变方波脉冲，实现功率切换。半桥电路输入电压仅将一半添加到变压器一次，从而提高电流峰值，因此半高线电路仅用于500W以下的输出电源，同时具有抗不平衡性，被广泛使用。半桥拓扑图如图2.4所示。图2.4半桥逆变器选项：方案1和方案2均可用作DC-AC转换器的反相器。这两种工作方式表明，半桥需要两个开关管道，整个桥需要四个开关管道。半桥和全桥开关管压力、半桥输出的峰值电压、全桥输出电压相同，因此在获得相同输出电压时，整个桥电源电压可能低于半桥电源电压的一半。在这方面，决定采用全桥逆变器，即方案1。2.1.3演示和选择辅助电源程序案例1:线性调节器电路7805是典型的三端电压调节器集成电路，典型的应用电路如下图2.5所示。这是输出正5V直流电压的电源电路。IC是集成电压调节器7805、C1和C2，分别是输入端和输出端过滤器电容，RL是负载电阻。图2.5线性调节器电路案例2:buck buck转换器如图2.6所示，降压转换器原理电路通常是执行开关开关开关功能的设备，输出滤波器电容由低频滤波器性能好的大容量电解电容器Co1和高频滤波器特性好的低容量CBB电容Co2组成。必须增加输入过滤容量Ci1，Ci2，以防止自残。图2.6降压转换器方案比较：方案1的优点是，可以用较少的组件配置辅助电源，但效率较低。方案2的优点是效率达90%，运输能力强，需要的部件多，成本高。辅助电源微控制器和其他芯片电源可能影响整个系统的效率，因此使用方案2。2.2完整计划通过比较和分析方案，总结了总体设计框图，如下图2.7所示。首先，使用DC-DC转换器将12V直流电压设置为52V提高到。对于DC-AC逆变器，输出电压反馈使用SPWM信号脉宽调整方法，以实现有效值为36V、没有截止失真和饱和失真的正弦波电源信号。使用AD637转换有效值的输出电压由STM8微控制器在ADC采样后分析，并显示在LCD12864屏幕上。单元模块设计中介绍了每个模块分析。图2.7完整的方块图单元模块设计3.1 DC-DC转换器设计此DC-DC转换器使用显示整个电路的boost拓扑，如图x所示。PWM控制电路由UC3842及其周围电路组成，动态稳定输出电压。UC3842是显示内部结构的性能良好的电流控制脉宽调制芯片。调制器单端输出，直接驱动双极功率管或fet。主要优点是，主轴的效果少，周边电路简单，电压调整速度达0.01%，工作频率最高500KHz，启动电流低于1mA，正常工作电流为5mA，可以使用高频变压器与电网隔离。该芯片集成了振荡器、具有高温补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电流、输入和基准低电压锁定电路以及PWM闩锁电路。图3.1 UC3842内部结构整体boost DC-DC转换器主要包括引导带电路、PWM控制电路和电流采样电路，如图3.2所示。图3.2 DC-DC转换器3.2 DC-AC逆变器设计DC-AC逆变器使用两个半桥驱动芯片驱动整个桥两侧的fet，以SPWM波驱动信号交替运行，输出包络与SPWM波相同，驱动功率放大的正弦波信号。其中驱动程序芯片使用IR2110芯片。IR2110集成程度高，能够以2度的速度驱动同一个桥臂，响应速度快(ton /tof=120/94 n s)，偏置电压(600 V)高，具有内部电压切断功能，成本低，易于调试，具有外部保护切断端口。特别是上管驱动器使用外部引导电容，与其他IC驱动器相比，大大减少了驱动电源路径的数量，大大减少了控制变压器的大小和功率数量，降低了产品成本，提高了系统的可靠性。电路如图x所示。图3.3 IR2110驱动程序电路桥臂电路使用fet，如图3.4所示图3.4桥式臂电路3.3 SPWM设计3.3.1 SPWM波的原理脉冲宽度调制时，脉冲系列的占空比按正弦规律排列。正弦值最大时，脉冲宽度最大，脉冲之间的间隔最小。相反，在正弦较低时，脉冲宽度较小，脉冲之间的间隔更大，因此电压脉冲系列大大减少了负载电流的谐波分量，称为正弦波脉宽调制。图3.5与正弦波相等的矩形脉冲序列波形3.3.2实施方法一般来说，SPWM的控制系统有单极调制和偶极调制两种。在本设计中，使用了单极调制方法。(1)双极调制双极调制时，逆变全桥电路的对角功率管(S1/S4，S2/S3)同时开通和关闭，两组互补传导，所有功率管都是高频开关。如图3.4所示，逆变桥的输出电压UAB是正输入电压或负输入电压，在输出电压的一半周期内，UAB以1/-1(或-1/1)切换方式在整个输出电压周期中获得两种类型的输出电压波形。(2)单极调制如图3.5所示，逆变桥的两座桥分别由三角载波c和正负正弦调制信号(m，-m)的交叉部分调制，当对角电力管打开(S1/S4或S2/S3)时，逆变桥输出UAB为Ud或-ud。如果桥臂(S1，S2)或下2个电源管打开，则逆变桥的输出UAB为0。这样，每次发生开关时，输出电压UAB都在0和Ud或0和-Ud之间发生变化，因此在输出电压的一半时间内，UAB以Ud和0或-Ud和0，即1/0(0/1)或-1/