三相电压型SPWM逆变器设计

1、课程设计用纸-1 -教师批阅三相电压型SPWM逆变器设计摘要：本次设计采用EasyARM113听发板，设计了一个基丁新型32位微 控制器LM3S1138勺可调频率中频逆变电源，即克服了传统模拟逆变器电路复 杂、灵活性差、系统不稳定等缺点，乂兼具普通单片机控制系统的低成本和DSP制系统的高性能等优点，有效解决了特种电源设计中存在的成本和性能 矛盾问题，同时也可应用丁对电源频率有不同要求的场合。本设计进行了硬件电路的模块划分、微控制器引脚资源的分配、具体单元 电路的设计等。硬件电路由五大模块即控制器模块、功率器件驱动模块、逆变 模块、保护模块和显示模块构成，其中控制器模块由EasyARM1138F

2、发板构成， 完成SPWI%宽调制信号产生、LCD显示信号的输出及A/D转换等工作；驱动 模块由两片IR2110及外围电路组成，完成SPWM!号的隔离放大并驱动功率开 关管；逆变模块由四片绝缘栅双极晶体管组成的全桥电路和LC低通滤波器构成， 在SPWM!号的控制下完成外部直流电压向纯正弦波电压的转换； 保护模 块由LM39纨外围电路构成，实现正弦波输出信号的过压和过流保护；显示模块由LCD1286救辅助电路组成，实现相关数据的显示输出。关键词：LM3S1138 SPWM逆变器matlab课程设计用纸-2 -1设计内容.-.3-1.1设计目的及意义.-.3-1.2设计步骤.-.3-1.3内容要求.

3、-.3-2设计方案.-.4-2.1方案选择.-.4-2.2方案论证.-.4-2.3设计重点难点.-.4-3系统的硬件设计.-.5-3.1整体方案设计 .-.5 -3.2主电路.-.6-3.3抗干扰电路.-.7-3.4驱动电路.-.7-3.5逆变电路.-.8-4软件设计.-.9-4.1编程思路.-.9-4.2流程图.115仿真.-.13 -6心得体会.-.1 6-附录.18 -1程序活单.-.1 8 -2原理图.-.2 4-目录教师批阅课程设计用纸-3 -1设计内容1.1设计目的及意义(1)训练学生正确地应用运动控制系统，培养解决工业控制、工业检测等领 域具体问题的能力；(2)通过课程设计，熟悉

4、运动控制系统应用系统开发、研制的过程，软、硬 件设计的工作方法、工作内容、工作步骤；(3)对学生进行基本技能训练，例如组成系统、编程、调试、绘图等，使学 生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。1.2设计步骤(1)设计方案的选择及论证;(2)设计电路的整体框架；(3)系统软件及硬件的设计;(4)对系统进行仿真并分析;1.3内容要求(1)画出控制电路和主电路原理图；(2)画出程序流程图；(3)写课程设计论文，附有原理图、流程图、程序活单，内容要正确，概念 要活楚，文字要通顺。教师批阅课程设计用纸-4 -2设计方案2. 1方案选择本设计选用EsayARM113听发板，以LM3S11

5、3的控制核心，辅以扩展的 键盘及显示电路和SPWM2变电路组成完整的系统。根据采样控制理论，由LM3S1138俞出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲， 控制IGBT功率开关管的 导通和截止，使逆变器输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波。输出的信号 经低通滤波器滤波后，即可得到所需要的正弦波。改变调制脉冲的宽度可以控 制输出电压的幅值，改变调制周期可以控制输出电压的频率， 从而达到使逆变 器的输出电压和幅值同时可调的目的。2.2方案论证在逆变器电路的设计中，控制方法是核心技术。早期的控制方法使得输出 为矩形波，谐波含量较高，滤波困难，而SPW敝术较好地克服了这些缺点。 本设计室基丁单片机来实现SP

6、WM此方法控制电路简单可靠，利用软件产生SPWMt减轻了对硬件的要求，且成本低，受外界干扰小。2.3设计重点难点完成本方案设计的重点和难点有以下几点：1LM3S1138的GPIO口分配和驱动函数的调用2LCD显示模块的驱动和相关数据的显示3不同幅值、不同频率信号的正弦脉宽数据表的设计教师批阅课程设计用纸-5 -3系统的硬件设计3.1整体方案设计本系统由电源模块、控制模块、逆变模块、键盘和显示模块、输出及保护 电路等5大部分组成，设计系统的总体结构框图如图3.1所示。电源模块：根据实验室现有的条件，本系统的电源由两台稳压电源提供3路直 流电压。控制模块：由EasyARM1138开发板构成，运行系

7、统程序并通过扩展GPIO口控制自主设计的各子模块工作。逆变模块：由2片驱动芯片IR2110、4只IGBT管FGA25N120AN和LC低通滤波器及外围辅助电路构成，完成DC/AC的逆变、电压变换并得到需要的正弦波电压输出。键盘和显示模块： 由3个按键开关和1个可显示4行、16列字符的LCD显示器12864构成。输 出和保护电路模块：由1个2A保险丝、4个并在IGBT管集射极两端的反向 偏置二极管和LM393及辅助电路组成的比较电路构成。完成系统的过流、过 压及IGBT管的瞬间过流保护工作。教师批阅图3.1系统总体结构框图课程设计用纸-6 -教师批阅图3.2是SPW逆变器的主电路，图中VI -V

8、6是逆变器的六个功率开关器 件，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由包值直流电压U供电。一组三 相对称的正弦参考电压信号 由参 的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。 参考信号的幅值也可在一定 范围内变化，决定输出电压的大小。三角载波信号Uc是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM冲序列波Uda, Udb, Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。3.2电源电路当UruUc时，给V1导通信号，给V4关断信 号，Uun =-Ud/2。Uuv的波形可由Uun - Uvn得出，当1和6通时，Uuv=Ud当3和4通时，Uuv=-Ud,当1和3或4和6通

9、时，Uuv=Q输出线电压PWM波由土Ud和0三种电平构成负载相电压PW成由(土2/3)Ud,(土1/3) Ud和0共5种电平组成。课程设计用纸-7 -防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而 造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。 死区时间的长短主要 由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍 稍偏离正弦波。3.3抗干扰电路本设计采用了光电隔离器，光电 隔离器可以很简单将主回路的强电 和控制回路的弱电相隔离，使主回路 和控制回路更好的结合。光电隔离器 的电路示意图如图3.3所示。3.4驱动电路由丁LM3S1138产生的SPWM信号不

10、能直接驱动IGBT ,故逆变桥的驱 动采用专用芯片IR2110O IR2110是一种双通道、栅极驱动、高压高速、单片 式集成功率驱动模块，具有体积小(DIP14)、集成度高(可驱动同一桥臂两路)、 响应快(典型ton/toff=120/94 ns)、偏置电压高(600 V)、驱动能力强等特点， 同时还具有外部保护封锁端口12。IR2110采用CMOS工艺制作，逻辑电源电压范围为5 V20 V,适应TTL或CMOS逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2个输出通道。由丁逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上，容许逻辑电路参考地(VSS)与功率电路参考地(COM)之间有-5 V+5 V的偏移量，

11、并且能屏蔽小丁50 ns的脉冲， 这些特点使得IR2110具有较理想的抗噪声效果。采用CMOS施密特触发输入， 可以进一步提高电路抗干扰能力13oIR2110自身的保护功能非常完善：对丁教师批阅图3.3光电隔离器课程设计用纸图3.5逆变电路-8 -为改善PWM控制脉冲的前后沿陡度并防止振荡，减小IGBT集电极的电 压尖脉冲，一般应在栅极申联十几欧到几白欧的限流电阻。IR2110的最大不足是不能产生负偏压，由丁密勒效应的作用，在开通与关断时，集电极与栅极 间电容上的充放电电流很容易在栅极上产生干扰。 针对这一点，本文在驱动电 路中的功率管栅极限流电阻R1、R2上反向并联了二极管D4、D5。3.5

12、逆变电路逆变电路的作用是将直流电压转 换成梯形脉冲波，经低通滤波器滤波 后，从而使负载上得到的实际电压为正 弦波，逆变电路是由4个IGBT管（VT1、VT2、VT3 VT4）组成的全桥式逆变电 路组成，如图3.5所示。教师批阅低压侧通道，利用2片IR2110驱动全桥逆变电路的电路图如图3.4所示图3.4全桥驱动电路课程设计用纸-9 -4软件设计软件设计是逆变控制电路设计的重要组成部分， 它决定了逆变器输出的特 性，如电压调节范围及稳定程度，理想的正弦波输出电压、保护功能的完善、 可靠性等等。逆变器程序主要分为SPWM脉宽调制部分，LCD12864显示部分，ADC转换部分，看门狗程序部分。4.

13、1编程思路本设计将一个周期T的信号分成720个点（按X轴等分），两点间的时间 间隔由EasyRAM1138通过定时器中断产生。 因此， 首先需建立正弦脉宽数据 表， 由EasyARM1138初始化时算好，将其按一定的格式（即考虑相序及同一 相中的脉宽次序等）存入片内的FLASH中，建立好数据指针，以便按一定的 寻址方式查询。SPWM实际上就是用一组经过调制的幅值相等、宽度不等的脉冲信号代 替调制信号，用开关量代替模拟量。调制后的信号中除了含有调制信号外， 还 含有频率很高的载波频率及载波倍频附近的频率分量，但几乎不含其他谐波， 特别是接近基波的低次谐波。因此载波频率也即SPWM的开关频率越高，

14、谐波含量越少。这从SPWM的原理可以直观地看出。当载波频率高时，半周期 内开关次数越多，把期望的正弦波分段也越多，SPWM的基波就越接近期望的正弦波14。但是，SPWM的载波频率除了受功率器件的允许开关频率制约外，SPWM的开关频率也不宜过高，这是因为开关器件工作频率提高，开关损耗和换流损 耗会随之增加。另外，开关瞬间电压或电流的急剧变化形成很大的du/dt或di/dt,会产生强的电磁干扰；高du/dt、di/dt还会在线路和器件的分布电容和 电感上引起冲击电流和尖峰电压；这些也会因频率提高而变得严重。教师批阅课程设计用纸-10 -综上所述，SPWM的开关频率的选择应综合考虑各个方面的因素，本

15、设 计实际采用的SPWM开关频率，也即IGBT的开关频率为18MHz,这是一个 折中的选择。设置EasyARM的频率为6MHz，分频后为20MHz。0-180度由定时器TIMER0的TIMA（对应的为CPP1）输出0有效,180-360由TIMER1的TIMB（对应的为CPP3）输出0有效，两脚轮流输出脉宽调制的正弦半波。1度时脉宽=2个机器周期90度时脉宽约为111个周期 T2T3 调制脉宽-T90_T91_._.a.周期=1/18k_ _|I度2度3度,_90度91度，图4.1正弦波脉冲宽度调制波形示意图关丁载波频率和调制波频率的计算：EasyARM的时钟频率20MHz,一个机器周期为0.

16、5us,载波频率为8KHz90KHz之间，将一个输出周期T的信号分成1440个点（按X轴等分）， 两点间的时间间隔由EasyARM的定时器通过计数中断实现，由丁EasyARM的内部定时器有PWM的设置，通过在程序中设置定时器的计数值来控制频 率，同过设置占空的的计数值来调整脉冲的占空比，这样就保证了输出方波的脉冲宽度按正弦规律变化。逆变后的方波经滤波后可以得到纯正弦波脉冲，调制频率为14.4KHz1440KHz，一个周期分为1440个调制脉宽，每个周期时间为：1440* （1/14.4KHz1/144KHz ） =0.1s0.01（s）,使输出频率为10100Hz。教师批阅课程设计用纸-11

17、-首先对程序进行初始化，初始化之后程序就进入了中断，连续读取720个PWM的匹配值产生0-180度的SPWM。之后关闭此定时器和中断，并打开TIMER0和它的定时中断，同样的连续 读取720个PWM的匹配值产生180-360度的SPWM。主程序中，在while(1)中不断的扫描按键。通过判断是KEY1还是KEY2按下来提高和降低频率。正弦波频率的改变范围是10100Hz。SPW阍制程序流程图如图4.3所示：AcDE11角度计数周期值2sin 0003sin 0.250.0043633164sin 0.50.00872654125gin 0. 750. 0130895186sin 10.0174

18、524247sin L 250. 0218149308.9VVV10,111度时脉神宽度的算法，执行的机器周期二 229. 4+sinO. 25=612一个频率周期=l/20JHz=0, 5us教师批阅表4-1正弦脉冲的度数与计数值之间的一个换算表(部分)课程设计用纸-12 -教师批阅图4.3 SPWM调制程序流程图课程设计用纸-13 -5仿真SPWM控制方式下的三相逆变电路主电路如图5.1所示:图5.1三相逆变电路主电路设置参数，即将调制度m设置为0.9,调制波频率设为50Hz,载波频率 设为基波的30倍(载波比N=30),即1500Hz,仿真时间设为0.04s,在powergui中设置为离

19、散仿真模式，采样时间设为1e-006s,运行仿真图形，然后建立m文件，程序如下所示：subplot(3,1,1);plot(inv.time,inv.signals(1).values);title(Uab线电压波形);subplot(3,1,2);plot(inv.time,inv.signals(2).values);title(A相输出电压Ua波形);subplot(3,1,3);plot(inv.time,inv.signals(3).values);axis(0 0.04 -300 300);title(A相输出电流波形);运行此文件后，可得输出交流电压，交流电流和直流电流如图5.2

20、所示：教师批阅课程设计用纸-14 -图5.2 SPWM方式下的三相逆变电路输出波形分析上图可知，输出线电压PWM波由土Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由（土2/3）Ud、（土1/3）Ud和0共5种电平组成。利用MATLAB提供的powergui模块，对上图中的输出相电压UA和输出电流IA进行FFT分析，得图5.3、 图5.4所示结果:Available signalsiFUEiure :Input:| input 2StgnaJ number:h，FFT windowElert lirrre (w* d.DMumber uf cydBS: 1Fijnatamentei Troqgncv

21、CHz):|5PFFT saltingsDtsplay styte : Etarto fundartienisl)，Bas：e value. JI|Freciuorhcy axis:Hsir rwcnic o*drhSnx Frequency rtz): (450QuplBVI ClkM图5.3 SPWM控制方式三相逆变电路输出相电压UA的FFT分析LI mb线电压波形教师批阅5000-S002000-200400irmmiiinwiiiriiim0 0060 010 015 a 020 0250 030 0350A相输出龟压Ua波形00050010.0150.020.0250.030.035

22、0.04FFT analysis：Fundanrie-ntal (60hz) = 134 7 . THD= 79 74%30252015105010203040605070 SO 90Harmonic order课程设计用纸-15 -图5.4 SPWM控制方式三相逆变电路输出电流IA的FFT分析由图5.3可知：在Ud=300V , m=0.9,fc=1500Hz,fr=50Hz，即N=30时，输出相电压的基波电压的基波幅值为Ud1m=134.7V,谐波分布中最高的为28和32次谐波，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到79.74%。由图5.4可知：考虑最高频率为4500Hz时的THD=5.

23、15%,输出电流近似为正弦波。教师批阅FFT analysis一uaEEuaEE号Ll_Ll_七冬Be巨2 2FFT wiiridoA/Start time(时；0.DNumber of cycles: 1Fundtamental frequency(H工50|FFTsellings-Dviotey style :Bar (relative to fundamental)Base valu&. Fi_0hfax Freduemcy (Hz):4500Display :CloseSignal lo analyze-u Display alertedDisfHav FFT windowSe

24、lectedsignal 2 cycles FFT window (inred) 1 cycles Available signals0010203040 SO 60Harmonic order70BO 90100Fundamental (50Hz) = 3077 , THD= 5.15%4.4.Frequency axis:order课程设计用纸-16 -6心得体会两个周的运动控制课程设计一三相电压型SPW逆变器设计就要结束了，虽然课程设计的时间比较短，但我却收获了很多值得总结和值得我铭记丁心的 知识和认识。开始课程设计的时候，由丁我们学的都是一些嵌入式方面的理论知识， 牵 涉到实际的我们几

25、乎一无所知，所以我们组的成员都不知道该怎么入手， 我们 通过请教老师，以及上网查询等通道，终丁顺利的完成数据采样系统的各方面 设计。这样一个过程使我的理论知识得到了试验和应用，使我的理论知识得到 了进一步的提高。总之，这次课程设计不但让我学到了很多的东西，提高和巩固了单片机、matlab等方面的知识，同时也增强了我的动手能力，这些并不是在课堂上可 以学到的，而且这也是难得的一次同学问长时间交流沟通的机会，在课程实际过程中发生许多欢乐的令人难忘的事，这无疑为以后的我留下了一个美好的回 忆。在完成运动控制课程设计后，我发现我还有许多不足，所学到的知识还远远 不够，单片机的应用是如此的广泛，在以后的

26、时间里我将继续对单片机方面的 知识的学习。最后，感谢老师在课程设计中给予的帮助，以及组员们的合作！教师批阅课程设计用纸-17 -7参考文献1刘凤启.正弦波逆变器M.北京：科学出版社,2002.2李爱文，张承慧.现代逆变技术及其应用M.北京：科学出版社，2000.3谢力华，苏彦民.正弦波逆变电源的数字控制技术.电力电子技术J,20014孟元东，娄承芝.基丁dsPIC30F1010高频正弦波逆变器的研究，电力电子技术J , 20075罗泠， 周永鹏等.DSP控制400Hz中频在线式不问断电源的研究， 电力电子 技术J,6苏玉刚等.电力电子技术M.重庆：重庆大学出版社，2003.7张燕宾.SPW唆频

27、调速应用技术.北京：机械工业出版社，2005.8廖东初，聂汉平.电力电子技术.湖北：华中科技大学出版社，20079王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，200510阮毅，陈维均.运动控制技术北京：清华大学出版社，2006教师批阅课程设计用纸-18 -附录1程序清单#include Fre.H#include select.h#include /Stellaris系歹U芯片的内存地址映射表#include /#include /#include /#include /#include /#include /#include /#include watchdog.h#include h

28、w_watchdog.h#include LED.H芯片通用类型的宏指令与类型定义芯片系统驱动控制模型定义芯片通用标准输入输出定义芯片启动模数转换的时所用的宏指令芯片用丁模数转换驱动时头指令芯片用丁中断分配的头指令芯片的终端控制模型定义#define SysCtlPeriEnable SysCtlPeripheralEnable /外围设备的使能#define SysCtlPeriDisable SysCtlPeripheralDisable/外围设备的不使能#define GPIOPinTypeIn GPIOPinTypeGPIOInput/标准输入输出的针类型#define GPIOPin

29、TypeOut#define GPIOPinTypeOD#define WdogStallEnable#define WdogReloadSet#define WdogIntEnable#define WdogIntClearGPIOPinTypeGPIOOutputGPIOPinTypeGPIOOutputODWatchdogStallEnableWatchdogReloadSetWatchdogIntEnableWatchdogIntClear教师批阅课程设计用纸-19 -#define uchar unsigned char unsigned long TheSysClock =1200

30、0000UL;void ADC_Init()SysCtlPeriEnable(SYSCTL_PERIPH_ADC); /SysCtlADCSpeedSet(SYSCTL_ADCSPEED_125KSPS); /设置ADCM样率使能ADC莫块教师批阅ADCSequenceDisable(ADC_BASE , 0);/禁止采样序列ADCSequenceConfigure(ADC_BASE ,/采样序列配置/米样序列编号ADC_TRIGGER_PROCESSOR ,/由处理器触发0);/设置优先级ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE ,/采样步进设置/米样序列编号/设置

31、步进ADC_CTL_END | ADC_CTL_CH0); /通道设置从ADC0口读入数据ADCSequenceEnable(ADC_BASE , 0); /使能米样序歹0void wdogInit ( void )SysCtlPeriEnable( SYSCTL_PERIPH_WDOG ) ; /使能看门狗模块WdogStallEnable ( WATCHDOG_BASE ) ;/使能调试器暂停看门狗计数WdogReloadSet ( WATCHDOG_BASE , 3000000UL ) ;/设置看门狗值WdogIntEnable ( WATCHDOG_BASE );/使能看门狗中断Int

32、Enable ( INT_WATCHDOG );/使能看门狗模块中断IntMasterEnable ();/使能处理器中断void Watchdog_Timer_ISR ( void )课程设计用纸-20 -(WdogIntClear ( WATCHDOG_BASE ) ;LED_Toggle(LED1);void SystemInit(void)(SysCtlLDOSet(SYSCTL_LDO_2_75V);置为2.75V AD转换必须的电压设置SysCtlClockSet(SYSCTL_USE_PLLJSYSCTL_OSC_MAIN |SYSCTL_XTAL_6MHZ |SYSCTL_SY

33、SDIV_10); /SysCtlClockGet();/FreInit();ADC_Init(); /LED_Init(LED1); /Lcminit();/GPIOPinIntEnable(GPIO_PORTD_BASE , GPIO_PIN_1); /使能GPIOD勺1号管脚中断GPIOPinIntEnable(GPIO_PORTG_BASE , GPIO_PIN_5); /使能GPIOG勺5 号管脚中断GPIOIntTypeSet(GPIO_PORTD_BASE , GPIO_PIN_1,GPIO_LOW_LEVEL);/GPIOD的1号管脚下降沿时产生中断信号教师批阅/反转LED/T

34、heSysClock =GPIOD_Init();GPIOG Init();/配置PLL前须将LDO6压设/系统时钟设置，采用PLL主振荡器外接6MHzft振分频结果为20MHz获取系统时钟，单位：Hz通用输入输出端口D的初始化通用输入输出端口G的初始化数模转换模块的初始化初始化LED1灯液晶显示初始化课程设计用纸-21 -GPIOIntTypeSet(GPIO_PORTG_BASE , GPIO_PIN_5,GPIO_LOW_LEVEL);/GPIOG的5号管脚下降沿时产生中断信号课程设计用纸-22 -IntEnable(INT_GPIOD);IntEnable(INT_GPIOG);wdogInit( );/IntMasterEnable ();int main(void) SystemInit();/系统初始化select();unsigned long ulVal = 0 x00;/uchar Val;while(1)ADCProcessorTrigger(ADC_BASE , 0);/触发样本序列while ( HWREG(ADC_BASE+ADC_O_X_SSFS8TATX00000100 );/等待样本序列采集完成ADCSequenceDataGet(ADC_BASE , 0 , &