电子竞赛设计1

1、 电子设计竞赛报告题 目: 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 评语及成绩：指导教师：日 期：目录摘要21 系统描述即设计要求311 单相逆变器设计制作的目的312 单相逆变器的设计内容413 单相逆变器设计制作实现的目标42 系统方案的论证42.1 控制电路方案一设计分析52.3 数码管显示电路方案设计分析73.1 开关管和二极管的选择83.2 并联电容的选取93.3 L、C 滤波器的设计93.4 驱动电路方案论述103.4.1方案选择103.4.2 IR2110的介绍及其外围电路104 软件部分114.1通过单片机编程实现SPWM调制正弦波脉

2、宽的生成114.2 软件设计流程框图124.3 电路接线仿真结果135 结果测试146 总结与心得14参考文献15附录：16摘要：我们都知道逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从直流输入经过逆变获得稳压恒频的交流输出。随着数字信号处理技术的发展，以SPWM控制方式设计的逆变电源越来越受到青睐。 本文叙述的就是一种基于51系列单片机设计的SPWM逆变电源。该电源以12V直流电压为输入，通过升压环节与SPWM逆变环节，得到了设定频率与电压的优质正弦交流电。它采用MOSFET 作为功率器件，IR2110作为MOSFET 的驱动芯片，逆变部分采用单片机数字化SPWM控制方式，以尽可能地

3、减少谐波。由于采用了基于单片机的数字化技术,使得电源调节灵活、性能可靠,为性能要求高的仪器设备提供了一种高品质的交流电源。数码显示部分主要采用寄存器和译码器将电压和电流切换显示。关键字：单片机 逆变电源 正弦波 脉冲触发 数码显示1 系统描述即设计要求11 单相逆变器设计制作的目的 逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。随着电力电子技术的发展， 逆变电源的应用越来越广泛，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。相应的应用系统对逆变

4、电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求， 因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。逆变电源技术是一门综合性的专业技术，逆变电源作为一种产生交流电的装置，它具有以下优点：变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电，也能将三相交流电转换为单相交流电；逆变电源能将直流电转换为交流电；逆变电源能将低质量的市电转换为高质量的稳压稳频的交流电。通俗的讲，逆变电源是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它主要是由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。12 单相逆变器的设计内容本次电子设计竞赛的内容主要就是设计制作一个单相逆

5、变器,把输入的12V直流电逆变为12V交流电。它的基本要求有以下四点：（1）输入电压：12V DC；（2）输出电压：12V AC；（3）最大连续输出电流：2 A； （4）输出电压、电流值可数码管切换显示。 在基本要求的可以实现的情况下，为了开拓我们的思维，本实验还设置了发挥的部分，内容主要如下：（1）输入电压12V，输出024V交流信号，步进0.1V，纹波不大于10mV；（2）输入和输出隔离；（3）最大连续输出电流：10 A。13 单相逆变器设计制作实现的目标本次电子设计竞赛最终实现的目标就是将直流12V转变成交流12V，频率为50Hz,然后通过单片机将电压和电流在数码管上切换显示出来。2 系

6、统方案的论证单相逆变电路采用的主电路如图2.1所示：图2.1 单相逆变电路主电路接线图上图主电路采用单相全桥SPWM逆变电路，采用双极性控制方式，在U的一个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM波也是有正有负。在U的一个周期内，输出的PWM波只有+U和-U两种电平，在调至信号U和载波信号U的交点时刻控制各开关器件的通断。当UrUc时，给V1和V4以导通信号，给V2和V3以关断信号，这时i0,则V1和V4通，i0,则VD1和VD4通，所以不管哪种情况都是输出电压u=Ud, 当UrUc时，给V2和V3以导通信号，给V1和V4以关断信号，这时i0,则VD2和VD3通，所以不管哪

7、种情况都是输出电压u=-U,2.1 控制电路方案一设计分析 在此方案中，我们小组直接采用通过编写程序使得51单片机产生SPWM波，然后通过驱动电路与主电路中的晶体管V1、V2、V3、V4相连，通过控制晶体管的开断实现直流变交流的控制，在产生的交流电路中含有高次谐波和基波，所以必须采用滤波电路进行处理，产生符合实验要求的正弦电压波。其控制过程框图如下所示：2.2 控制电路方案二设计分析我们都知道随着社会的快速发展，有各种各样的触发器能直接触发逆变电路中四个晶体管的导通与开断，从而实现直流通过逆变电路转换成交流的过程，此方案主要采用D触发器的特有性质，实现换流的操作。根据D触发器的特征方程：Qn+

8、1=D，然后以触发器的现态和输入信号为变量，以次态为函数，描述它们之间逻辑关系的真值表称为触发器的特性表。D触发器的特性表如下表所示，表中对触发器的现态Q n和输入信号D的每种组合都列出了相应的次态Qn+1。特性图如下表1所示：表1 D触发器特性图QnDQn+1000011100111方案二的控制框图主要如下所示： 以上两种方案都有各自的优缺点，方案一采用的就是51单片机来实现SPWM控制和正弦波方式输出，而且性能安全可靠，灵活性强，同时可以降低谐波，提高效率，但是电路相对来说比较复杂。而方案二通过D触发器直接触发晶体管的导通，工作原理主要是将控制信号转变为某一频率的脉冲或脉冲，用这些脉冲控制

9、无源逆变电路中的功率开关元件的通断，以控制逆变器输出电压和频率的电路。因为方案一中主要是将单片机和电子电子技术的综合应用，可以更好的将专业知识应用于实践中，而且，在单片机和电子电力技术方面，我们小组了解的也比较广泛，所以，经过最后的讨论，采用方案一。2.3 数码管显示电路方案设计分析 此方案设计主要是将控制产生的正弦波的接入至51单片机中，然后通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，最后通过程序的驱动，使其电压和电流值在数码管上正确显示出来，并能进行有效切换，实现最终的目标。控制图如下所示：3 系统硬件的设计 在电路中输入直流电压为12V，由于中间损耗，输出的交流电压大约为8V,频率在 50

10、Hz左右，输出功率为P=20W，功率因数为cos=1。则电路各元件选取如下。图3.1 全桥单相逆变电路以及驱动电路的结构图图3.2 数码显示电路接线图3.1 开关管和二极管的选择(1)开关管的选择最大输出情况下，电流有效值为I= =2.5A (3.1)开关管额定电流I1.5 I=3.75A (3.2)开关管额定电压V2V=24V (3.3)(2) 二极管的选择额定电压 V12V (3.4)最大允许的均方根正向电流 (3.5)二极管的额定电流为 I=1.59A (3.6)3.2 并联电容的选取在功率因数为1的情况下，等效的滤波电路的负载电阻为R=7.2 (3.7)周期为 (3.8)则电容为C=0

11、.011F (3.9)3.3 L、C 滤波器的设计最低次谐波为2p-1 次。因此，最低次谐波的频率f = (2200 1)50 = 19950 Hz (3.10)以选1/10 为例，选滤波电感为1mH，则电容为 (3.11)3.4 驱动电路方案论述3.4.1方案选择方案一：用CMOS器件驱动MOSFET。直接用CMOS器件驱动电力MOSFET，它们可以共用一组电源。栅极电压小于10v是，MOSFET将处于电阻区不需要外接电阻R，电路简单。不过这种驱动电路开关速度低，并且驱动功率要受电流源和CMOS器件吸收容量的限制。如图3.4.1所示。MOSFET驱动CMOS器件图 3.4.1 用CMOS器件

12、驱动MOSFET 方案二：利用光耦合器驱动MOSFET。利用光耦合器的隔离驱动电路如图3.4.2所示。通过光耦合器将控制信号回路与驱动会理隔离，使得输出级设计电阻减少，从而解决了栅极驱动源低阻抗匹配的问题。这种方式的驱动电路由于光耦合器响应速度低，使开关延迟时间加长，限制了使用频率。MOSFET驱动光耦合器 图 3.4.2 利用光耦合器的隔离驱动电路方案三：采用MOSFET栅极驱动控制专用集成电路IR2110，如图3.4.3所示。该芯片8引脚封装，可驱动同桥臂的两个MOSFET，内含自举电路，允许在600v母线电压下直接工作，栅极驱动电压范围宽，单通道施密特逻辑输入，输入与TTL及CMOS电平

13、兼容，死区时间内置，输出、输入同相，低边输出死去时间调整后于输入反相。该方案整机的可靠性高、体积小，最高工作频率可达40kHz，充分满足题目要求。MOSFET驱动CMOS器件 图 3.4.3 用集成电路IR2110驱动MOSFET3.4.2 IR2110的介绍及其外围电路（1）IR2110 的特点：1.具有独立的低端和高端输入通道。2.悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V。93.输出的电源端（脚3）的电压范围为1020V。4.逻辑电源的输入范围（脚9）515V，可方便的与TTL，CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许微小的便移量。5.工作频率高，可达500KHz。

14、6.开通、关断延迟小，分别为120ns 和94ns。7.图腾柱输出峰值电流2A。（2）驱动电路IR2110的电路接线图 4 软件部分4.1通过单片机编程实现SPWM调制正弦波脉宽的生成 根据正弦波脉宽调制（SPWM）的产生原理，设，将正弦函数一周分为2p个等分，即正半周分为p等分，设等效矩形幅度为UD，脉冲宽度为m，则 那么第m个时间段中，矩形脉冲电压作用时间tm对应的相位宽度为m。故 而每个区间的相角宽度为/p，则占空比系数Dm为 式中，m=1，2，p/4.于是可以获得四分之一个周期内每个小区间的相角宽度m，脉宽tm和占空比Dm的数值。再利用正弦函数的奇偶性，得到整个周期每个小区间的m、tm

15、、Dm的值。将它列成一个表格，存放在ROM（或RAM）中。这个表称为SPWM函数表。4.2 软件设计流程框图 4.3 电路接线仿真结果 单片机产生SPWM波仿真实验图如下所示： 5 结果测试 对所编的程序进行仿真测试，检验系统功能，经过模拟测试，系统能达到预期的控制效果，可以稳定的输出正弦交流电压，频率稳定，数码管也可以切换显示电压和电流，则可以达到设计要求。6 总结与心得本文主要讲述了基于51单片机实现SPWM的数字控制，并控制逆变电路MOSFET管的开关断，以实现DCAC的转变，完成逆变电源的功能。主电路是采用电压型单相全桥逆变电路，开关管选择全控型MOSFET管；控制信号由单片机产生SP

16、WM波控制MOSFET管，输入为10v直流，最终得到10v交流，频率为50Hz的正弦电压。在这半个月的论文设计中，由于电力电子和单片机的知识忘了许多，所以我又系统的回顾了电力电子及单片机等专业课的知识，并且查看了很多关于逆变的资料，丰富了我的专业知识，也开拓了我的视野。在思考能力和解决问题能力方面也有所加强，这些将成为我今后工作和学习中不可或缺的经验。当然，在这次电子竞赛设计中，我自己还存在许许多多的问题，还有许多方面需要改进和提高，比如说：专业知识基础掌握不好，还有就是没有将知识和实际紧密联系起来，等等，这些都需要加强，所以，在今后学习中，要努力做到活学活用，要不断创新，不断思考，只有这样，

17、才会提高自己的设计水平，也才能更加熟练的应对今后的工作需要。参考文献1王兆安，刘进军.电力电子技术M.第五版.北京：机械工业出版社.2012.2魏伟. 正弦波逆变电源的研究现状与发展趋势J.电气技术, 2008，(11).3单片机原理使用教程基于Proteus虚拟仿真.徐爱钧主编.电子工业出版社.2010，（01）.4C程序设计第三版.谭浩强主编.清华大学出版社.2005，（07）.5廖家平，袁兆梅，张治国.基于单片机PWM 控制逆变电源的设计TM.2006，（5）.6驱动芯片IR2110的功能简介.电子元器件应用.2006，（08）.附录：1.系统电路设计原理图2. 单片机仿真产生SPWM波

18、程序：#include#includesbit P20=P20;/sbit P01=P01;/sbit P02=P02;/sbit P07=P07;unsigned char count=0;unsigned char code timer=28,28,29,29,30,30,30,31,31,31,32,32,33,33,33,34,34,34,35,35,36,36,36,37,37,37,38,38,38,39,39,39,40,40,40,41,41,41,42,42,42,43,43,43,43,44,44,44,44,45,45,45,45,46,46,46,46,47,47,47

19、,47,47,47,48,48,48,48,48,48,49,49,49,49,49,49,49,49,49,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,49,49,49,49,49,49,49,49,49,48,48,48,48,48,48,47,47,47,47,47,47,46,46,46,46,45,45,45,45,44,44,44,44,43,43,43,43,42,42,42,41,41,41,40,40,40,39,39,39,38,38,38,37,37,37,36,36,36,35,35,34,34,34,33,33,33,32,32,31,31,31,30,30,30,29,29,28,28,28,27,27,26,26,26,25,25,24,24,24,23,23,23,22,22,21,21,21,20,20,20,19,19,19,18,18,18,17,17,16,16,16,16,15,15,15,14,14,14,13,13,13,12,12,12,12,11,11,11,11,10,10,10,10, 9, 9, 9, 9, 9, 8, 8, 8, 8, 8, 8, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 6, 6, 6, 6, 6, 6,