单相车载逆变电源器的设计

1、毕业设计（论文）题 目 单相车载逆变电源的设计 学 院电气与电子工程学院专业班级电气工程及其自动化120311学 号20122059姓 名杨 勇指导教师薛 鹏二一六年六月八日长春工业大学学士学位毕业论文 摘 要 本设计是基于单片机STC而设计的正弦波逆变电源。额定输入电压为12V的直流电，输出为50Hz/220V的交流电。额定输出功率为300W。设计了全方位的保护电路。包含了可以根据温度来控制散热风扇的开启。实现了输入低压、过压的关断功能。当输入的电压过低时，停止逆变，可以防止损坏蓄电池，当输入的电压过高时，停止逆变，可以防止损坏芯片。拥有输入防反接功能，当输入正负极接错时，关断输入与后级电路

2、的连接，不会烧坏芯片或蓄电池。采用了一个液晶屏来显示输出的电压，输出频率等信息。采用了两个发光二极管来指示工作状态。采用了一个蜂鸣器，当产生错误时，发出蜂鸣报警。输出的交流电为标准的正弦波，而不是方波或修正波，可以实现更宽范围的带负载能力。根据测试，转换效率在85%以上，输出稳定，达到了良好的实验效果。关键词:单片机 逆变电源 正弦波 反接保护Design of vehicle mounted inverterAbstractThe design is based on STC microcontroller designed for pure sine wave inverter. Rate

3、d input voltage of 12V DC, output is 50Hz, 220V AC. Rated output power of 300W. Designed a full range of protection circuits. Can be included to control the temperature on the cooling fan. Achieve a input voltage, overvoltage shutdown function. When the input voltage is too low, the inverter is stop

4、ped, to prevent damage to the battery, when the input voltage is too high, the inverter is stopped to prevent damage to the chip. Has the input anti-reverse function when the input is negative then the wrong time, and after the shutdown input stage circuit connections will not burn chips or batterie

5、s. Uses a liquid crystal screen to display the output voltage, output frequency and other information. Uses two light emitting diodes to indicate the operating status. Uses a buzzer when an error occurs, the alarm beeps. The standard AC output sine wave, rather than a square wave or modified wave, a

6、 wider range can be achieved with a load capacity. According to the test, the conversion efficiency of more than 85%, stable output, to achieve a good experimental results.Keywords: MCU Inverter Sine wave reverse polarity protection目 录摘 要IAbstract第一章 绪论11.1 论文选题背景11.2 研究意义及目的21.3 国内外逆变技术现状31.4 目前存在的

7、逆变方式以及逆变电路结构41.5 主要内容6第二章 工作原理72.1 逆变电路的基本工作原理72.1.1 换流方式72.1.2 全桥逆变电路92.2 SPWM逆变器的工作原理102.2.1 单双极性SPWM法112.2.2 SPWM的控制方法122.3 小结16第三章 硬件设计173.1 主控制器183.2 DC-DC模块的设计183.2.1 PWM脉冲产生电路193.2.2 变压器的设计203.2.3 输出整流电路的设计213.3 DC-AC模块的设计213.3.1 SPWM波驱动隔离的设计213.3.2 开关电路的设计233.3.3 LC滤波电路设计233.4 保护模块的设计243.4.1

8、 温度保护的设计243.4.2 输入保护的设计253.4.3 输出保护的设计263.5 小结27第四章 系统的软件设计284.1 开发环境介绍284.2 系统总流程图304.3 SPWM程序设计304.5 增量型控制算法的实现354.6 小结36第五章 实验结果及分析375.1 实验结果375.2 总 结38致 谢39参考文献40附录 系统原理图43长春工业大学学士学位毕业论文第一章 绪论1.1 论文选题背景电源设备广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及人民生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基础，它与国民经济各个部门相关，在工农业生产中应用得最为广泛。可以说，凡是涉及电子和电工技术的一切

9、领域都要用到电源设备，它不仅提供优质电能，还对科学技术的发展产生巨大的影响，例如由于超小型、高效率的高频开关电源的出现，促进了航空航天和舰船技术的发展；不间断电源(UPS)的研制成功大大提高了计算机、通信、导航、医疗等设备的可靠性；脉冲电源广泛应用于电焊、电镀等行业，节省了大量的电能和原材料。从而可以看出电源技术的研究对国民经济的发展具有重大意义1-3。电源分为三大类：1） 把其他能量转换成电能，例如水力、火力、风力及核能发电等，一般称这种电源为一次电源(即供电电源，俗称电网或市电)。2）电能传输过程中，在供电电源和负载之间对电能进行变换或稳定处理，一般称这种电源为二次电源(即对已有的电源进行

10、控制)。3）平时把能量以某种形式储存起来，使用时再变成电能供给负载，典型的器件就是人们常见的各种蓄电池，一般称此为化学电源。其中，二次电源起着很重要的作用。二次电源，就是把输入电源(由电网、蓄电池或燃油发电机供电等)变换成在电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性(含电磁兼容、绝缘散热、不间断供电)等方面符合要求的电能供给负载，这是目前应用最广泛的电源技术领域，主要研究如何利用电子技术对电功率进行变换及控制，它广泛运用电磁技术、电子技术、计算机技术和材料技术等学科理论，具有较强的综合性。本课题所做的电源即属于此类。现如今随着自行车的被淘汰，当今汽车已经成为人们主流的代步工具，许多先进的设备应用

11、到汽车上，伴随着时代的发展，人们对汽车电子产品的需求越来越多：除了常见的车载DVD音响系统外，车载电视，车载冰箱，笔记本电脑等电器产品也成为人们的需求。目前常见的电器产品除了可用电池供电外，更多的需要220V/50Hz的交流电供电。为了将12V的蓄电池电压转换成220V/50Hz的交流电以供常见电器产品用，车载逆变电源已成为必不可少的车用能量转换设备。在国外汽车的数量较多，车载逆变电源受到了普遍欢迎，将车载逆变电源与汽车点烟器或蓄电池连接后，就可以直接给车载电器产品供电。车载逆变电源除了适用于车载系统外，存在12V直流电压且要求220V50Hz交流电输出的场合均可以使用。当今世界面对严重的能源

12、紧缺问题，社会的发展需要充足的能源来维系。太阳能、波浪能等可再生能源在本世纪得到开发利用，成为社会能源的重要组成部分。为了利用太阳能、波浪能等能源，直线发电机担任着机电能量转换的角色，然而直线发电机输出交流电压的谐波含量较大且浮动范围较宽，必须经过整流逆变装置处理后才能并网或供其他用电设备使用，该系统中逆变电源是必不可少的组成部分。光伏发电系统主要由太阳能光电池组、充电控制器、蓄电池组和逆变电源组成，太阳能电池阵列通过充电控制器给蓄电池充电，逆变电源把直流电压转换成工频交流电之后并网或供其他电器产品使用4。这对汽车的车载电源是一个很大的考验。随着人们生活水平的提高，人们对一些电子产品的稳定性要

13、求也越来越高，影响电子产品的稳定性的一个最大的外部因素就是输入的电源信号，如果电源信号不稳定那么电子产品基本就没有什么稳定性，这就对车载移动电源有了更高的要求。当今搭载柴油和汽油的汽车所配备的车载电源有相当一部分很落后，采用的基本上是七十年代八十年代以分立元件为基础的模拟控制系统，这样的电源系统不仅有分立元件的温度漂移，容易老化，适应环境能力有限，而且在维护方面工作量很大，电源系统调节能力较差。这就要求我们研发一种新型高效的逆变器。1.2研究意义及目的由于电子逆变技术的迅猛发展，各种各样的功率器件的不断涌现，使得车载电源逆变器越来越小型化，越来越高效率。电子产品随处可见。现在，汽车已经不单单是

14、一个机动车辆供人们出行使用方便，更加成为一个智能化的汽车5-7。作为一款在汽车上使用的逆变电源，我们从以下几个方面来考虑。一方面，从安全性能考虑由于它是在汽车中由车主使用的电源转换设备，不仅关系到汽车和电子产品的安全，还关系到人的生命安全。因此在电路设计时，我们要设计相应的保护电路，从而确保该电源设备的高可靠性和安全性。另一方面，从空间角度考虑，由于汽车上空间有限，逆变电源也通常存储在一个很小的密闭容器中。因此在电源设计时，我们需要减少电路的复杂性，从而确保该电源设备的小型化。车载逆变电源的研制不仅仅可以解决汽车上电子产品的电源问题，同时还可以在只要有12V 直流电源的场合下使用。比如说，在光

15、伏并网发电技术中，逆变电源可以将太阳能电池板或蓄电池转换为供我们使用的能源，从而减少能源污染等或者给用电困难的地区带来极大的生活的便利，而逆变电源作为其技术含量较高的关键部件，其研制可开发是非常具有意义的。在国外，由于家家户户基本上都有车，汽车覆盖面很广且电子产品的种类使用繁多，故车载逆变电源在国外是受到人们的热烈欢迎。而在国内，随着经济的快速发展，汽车也慢慢由奢侈品转为必需品，而车载逆变电源也将成为家庭的必需品。咱们国内没有成熟的技术应用到车载移动电源上，那就必须从国外引进，国外现目前在车载移动电源方面做的已经比较成熟。在国外主要是做单片机为基础的数字控制系统，或者是专业级顶级控制芯片系统，

16、当然价格不菲，而且各个国家间都会有技术壁垒。因此，设计一款高效安全的车载逆变电源是具有实用价值和广阔的市场前景的。1.3国内外逆变技术现状电子电力技术是一门新兴的技术，它出现于20 世纪60 年代。随着电子电力技术的不断发展，它又细分为了电子电力器件和变流技术这两个方向。在逆变过程中，电力电子器件和开关电源是相互促进，相辅相成的， 电力器件技术的进步将会促进开关电源技术的进步。开关电源的核心技术就是开关管，通过开关管的闭合和导通，最后实现了电能的相互转换，比如说交流转直流，直流转交流，直流转直流等。1957 年，晶闸管（SCR）是最早出现的开关管，它开启了开关电源时代的到临。二十年后，又相继研

17、制出了更加先进的场效应管(MOSFET)、可关断晶闸管(GTO)、双极性管（BJT）等。在上个世纪90 年代初期又出现了结合场效应管和双极性管特性优点的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。在开关电源技术发展的初期，早期的DC-AC 逆变电源都是通过模拟电路对电源系统进行控制的。但是其缺点也是显而易见的，比如说模拟电路相对较复杂，并且器件多，从而导致成本较高；模拟器件易受环境温度影响存在零点漂移问题；控制方法算法的不可移植性等缺点。随着数字控制理论的快速发展和一些数字微处理器(MCU)技术的发展，并且为了可以提高开关管电源的稳定性、可靠性、安全性等各方面性能，在逆变电源控制系统的技术上，我们也由传统

18、的模拟电路控制系统逐渐发展为现在的数字微处理器电路控制系统8-11。目前现代逆变技术主要包括三部分：半导体功率集成器件及其应用、功率变换电路和逆变控制技术。因此，在具备高性能的开关器件的前提下，通过研究与之相适应的电路拓扑结构和开关控制方式，便能构造出性能优良的变流装置。目前的逆变电源的研究主要方向是开关电源，利用PWM 控制，而各种各样的数字化也是研究的热门，例如DSP 控制、单片机控制或者单片机和PWM 混合控制。PWM 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态，这样，在两个状态中，加在功率管上的伏-安乘积总是比较小，即功率半导体器件上产生的损耗小：导通时，电压低电流大；关断时，电压高电

19、流小。PWM 开关电源的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现。脉冲的占空比由开关电源的控制器调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或者降低。最后这些交流波形经过整流滤波后就可以得到直流输出电压。在PWM 逆变器中，体积和重量主要取决于变压器和交流滤波电感，减小变压器和交流滤波器体积和重量的有效方法就是提高开关频率，所以高频化是逆变电源的主要趋势之一。虽然提高开关频率能够减小变压器的体积和重量，但同时也带来了一些问题，比如导致开关损耗增加，电磁干扰增大，导致邻近效应加强，以及磁性元件的寄生参数等问题。其中最主要的问题就是开关损

20、耗和电磁干扰。针对这些问题，国内外有两种有效的解决策略：一是提高开关器件的开关速度；二是谐振软开关技术，利用谐振或准谐振方式使开关管工作在ZVS 或ZCS 状态。但是最早的谐振技术并不能工作在PWM 方式，这就违背了软开关技术的最终目的，即将软开关技术应用到PWM 逆变器中，实现脉宽调制PWM 软开关技术。逆变电源发展趋势除了高频化、高效率之外，还有以下几方面12：高可靠性：包括较高稳定性与较低的电磁干扰。我们知道，对于任何一个系统，尤其是电源系统，稳定性是最重要的，只有保证了稳定性才能谈其他性能，因此，高稳定性必然是逆变电源的发展趋势之一；而且，车载逆变器是在汽车内使用的，由于汽车内的自身电

21、子线路繁多，电磁干扰大的话后果很严重，因此车载逆变器低电磁干扰是其发展趋势之一。低噪声：目前逆变电源的缺点之一是噪声大。虽然提高逆变电源的开关频率可以减小变压器和交流滤波器体积和重量，但同时也增加了电源的噪声，在追求享受生活的今天，噪声太大的车载电源产品肯定没有市场，据分析，部分谐振技术可以在提高频率的同时减小噪声，因此，一种体积小、噪声低的产品无疑是很有市场前景的，是逆变电源的又一发展方向。数字化：传统的模拟控制技术存在着很多不足，比如元件分散可靠性差、控制系统一致性差、器件易老化导致输出性能下降等等。DSP 控制器的出现使逆变电源实现数字控制成为了可能，DSP 能够实时地读取逆变电源的输出

22、，并实时地计算出PWM 输出值，这就使得一些先进的控制策略得以应用于逆变电源的控制中，这也成为了逆变电源的发展趋势。1.4目前存在的逆变方式以及逆变电路结构现代逆变方式的种类很多，可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类方式如下13-16：1）按逆变器输出交流的频率可以分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。工频逆变一般指50-60Hz的逆变器；中频逆变的频率一般为400Hz到十几kHz；高频逆变器的频率则一般为十几KHz到MHz。2) 按输出相数可分为单相电路和三相电路。3) 当逆变器电路输出的交流电能直接作用于负载时，称为无源逆变；凡输出电能接在公共交流电网时，则称有源逆变。4）按逆变主电路的形

23、式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。5) 按功率器件的可控程度，可分为半控型逆变和全控型逆变。6) 按输出稳定的参量，可分为电压源和电流源两类。7) 按输出电压或电流的波形，可分为正弦输出逆变和非正弦输出逆变。8) 按控制方式，可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。9) 按开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变。逆变的直接功能是将直流电变换成交流电。逆变系统的核心是逆变开关电路，或者叫逆变电路，通过电力电子的导通与关断，完成逆变的功能。电力电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变一个电压信号来调节，产生和调节脉冲的电路

24、通常称为控制电路。逆变电路中，除了逆变电路和控制电路之外，还要有保护电路、辅助电路、输入电路、输出电路等等，如下图所示17。 1输入电路逆变主电路输入为直流电，可以是直流电网、蓄电持贮存的直流电，或者是直流发电机发出的直流电，此时输入电路包括滤波电路和EMI电路；如果是交流电网整流后获得的直流电，则除了滤波和EMI电路外，首先还要有整流电路。2输出电路输出电路一般都包括输出滤波电路和EMI电路，对直流负载的逆变系统还包括输出整流电路。对于开环的逆变系统，输出量不用反馈到控制电路，而对于闭环控制系统，输出量还要反馈到控制电路。3控制电路控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变器

25、开关管的导通和关断，从而配合逆变主电路完成逆变功能。在逆变系统中，控制电路和逆变主电路同样重要。4辅助电路和保护电路辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。可以采用工频降压、整流、线性稳压的方式，或DCDC变换器。保护电路主要包括：输入过压、欠压保护；输出过压、欠压保护；过载保护；过流和短路保护；过热保护。5逆变主电路逆变主电路是由开关器件等组成的变换电路，分为非隔离式和隔离式两类。1.5主要内容本文第一章介绍了车载逆变电源的选题背景以及研究意义和目的，并且阐述了目前存在的逆变方式。第二章介绍了本次设计所涉及到的一部分工作原理，如SPWM的生成方法。并且详细介绍了电

26、路的换流方式。第三章是本次设计的最主要的部分之一，详细介绍了车载逆变电源的硬件设计，分别介绍了主控制器的设计方法，DC-DC模块，DC-AC模块，保护模块的设计。第四章是本文的软件设计部分，介绍了开发环境以及STC12C5410AD的程序。第五章是本文的实验结果，并且进行了适当的分析。第二章 工作原理2.1 逆变电路的基本工作原理以单相桥式逆变电路为例，是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。、闭合，、断开时，负载电压为正；、断开，、闭合时，为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出频率。图2-1逆变电路及其波形举例电阻负载时，负载电流和的波形相同，相位也相同。阻感

27、负载时，滞后于，波形也不同（图2-1b）。时刻断开、，合上、，变负，但不能立刻反向。从电源负极流出，经、负载和流回正极，负载电感能量向电源反馈，逐渐减小，时刻降为零，之后才反向并增大18-20。2.1.1 换流方式电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也称换相。适当的门极驱动信号就可使其开通称为开通，全控型器件可通过门极关断。半控型器件如晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。换流方式主要有三种：1、器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流。2、电网换流由电网提供换流电压称为电网换流。可控整流电路、交流

28、调压电路和采用相控方式的交交变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。3、负载换流由负载提供换流电压称为负载换流。负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。图2-2负载换流电路及其工作波形基本的负载换流逆变电路，采用晶闸管，电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感，基本没有脉动。其工作过程为，4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波。负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，波形接近正弦。前

29、、通，、断，、均为正，、电压即为。时触发、使其开通，加到、上使其承受反压而关断，电流从、换到、。时刻必须在过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成21-22。4、强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。直接耦合式强迫换流由换流电路内电容提供换流电压。通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断。图2-3 直接耦合式强迫换流原理图给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图2-3）。先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流。器件换流适用于全控

30、型器件。其余三种方式针对晶闸管。器件换流和强迫换流属于自换流。电网换流和负载换流属于外部换流。当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。2.1.2 全桥逆变电路图2-4 单相全桥逆变电路的移相调压方式图2-4，两个半桥电路的组合。1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°。波形如图2-4 b。半桥电路的，幅值高出一倍=。波形和图2-4 b中的相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。输出电压定量分析成傅里叶级数 (2-1)其中基波幅值和基波有效值分别为: (2-2) （2-3）为正负各180º时，要改变输出电压

31、有效值只能改变来实现。可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180º正偏，180º反偏，且和互补，和互补关系不变。的基极信号只比落后q ( 0<q <180º)，、的栅极信号分别比、的前移180º-q，成为正负各为q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效值23。2.2 SPWM逆变器的工作原理正弦脉宽调制法（SPWM）是将每一正弦周期内的多个脉冲作自然或规则的宽度调制，使其依次调制出相当于正弦函数值的相位角和面积等效于正弦波的脉冲序列，形成等幅不等宽的正弦化电流输出。其中每周基波与所含调制输出的脉冲总数之比即为载波比

32、。其调制原理（以单相为例）：以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。矩形波的面积按正弦规率变化。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波24-26。图2-5 PWM的调制的原理等效原理即如图2-5所示，把正弦分成 n 等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替，正弦的正负半周均如此处理。SPWM控制技术有单极性控制和双极性控制两种方

33、式。如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也在正负之间变化，叫做双极性控制方式。正弦脉宽调制的特点是脉宽调制是以逆变器的功率器件的快速而有规律的开关，形成一系列有规则的矩形方波，以和期望的控制电压等效。其特点是基波分量大，2N-1次以下谐波得到有效的拟制，输出电流接近正弦波。SPWM的概念 在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲

34、的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。SPWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波(基准波或调制波)和等腰三角波(载波)的交点来决定的。2.2.1 单双极性SPWM法(1) 单极性SPWM法图2-6 单极性PWM波曲线是正弦调制波，其周期决定于需要的调频比，振幅值决定于，曲线是采用等腰三角波的载波，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于=1时正弦调制波的振幅值，每半周期内所有三角波的极性均相同(即单极性)。调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。

35、在每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲的规律时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反，流经负载的便是正、负交替的交变电流。（2 双极型SPWM法调制波仍为正弦波，其周期决定于，振幅决定于，载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，与=1时正弦波的振幅值相等。调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲序列，此脉冲序列也是双极性的，但是，由相电压合成为线电压()时，所得到的线电压脉冲序列却是单极性的。逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载的是按线电压规律变

36、化的交变电流27。(3) 实施SPWM的基本要求必须实时地计算调制波(正弦波)和载波(三角波)的所有交点的时间坐标，根据计算结果，有序地向逆变桥中各逆变器件发出“通”和“断”的动作指令。调节频率时，一方面，调制波与载波的周期要同时改变；另一方面，调制波的振幅要随频率而变，而载波的振幅则不变，所以，每次调节后，交点的时间坐标都 必须重新计算。2.2.2 SPWM的控制方法 采用高开关频率的全控型电力电子器件组成逆变电路时，先假定器件的开与关均无延时，于是可将要求变频器输出三相SPWM波的问题转化为如何获得与其形状相同的三相SPWM控制信号问题，用这些信号作为变频器中各电力电子器件的基极(栅极)驱

37、动信号。原始的SPWM是由模拟控制实现的。图2-10是SPWM变压变频器的模拟控制电路框图。三相对称的参考正弦电压调制信号、由参考信号发生器提供，其频率和幅值都可调。三角载波信号由三角波发生器提供，各相共用。它分别与每相调制信号进行比较，给出“正” 的饱和输出或“零”输出，产生SPWM脉冲波序列、，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。SPWM的模拟控制现在已很少应用，但它的原理仍是其它控制方法的基础28-30。图2-7 SPWM变压变频器的模拟控制电路目前常用的SPWM控制方法是数字控制。可以采用微机存储预先计算好的SPWM波形数据表格，控制时根据指令调出；或者通过软件实时生成SPWM波形；

38、也可以采用大规模集成电路专用芯片中产生的SPWM信号。下面列出几种常用的方法:1、自然采样法完全按照模拟控制的方法，计算正弦调制波与三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和脉冲间歇时刻，生成SPWM波形，称为自然采样法，如图2-8所示。在图中截取了任意一段正弦调制波与三角载波的相交情况。交点a是发出脉冲的时刻，b点是结束脉冲的时刻。图2-8 SPWM变压变频器的模拟控制电路为三角载波的周期；为在时间段内在脉冲发生以前(即a点以前)的间歇时间；为ab之间的脉宽时间；为在时间段以内b点以后的间歇时间。显然。图2-8 生成SPWM波形的自然采样法若以单位1代表三角载波的幅值，则正弦调制波的幅值就表示调制

39、度m，正弦调制波可写作。式中，是调制频率，也就是变压变频器的输出频率，由于a、b两点对三角载波的中心线并不对称，须把脉宽时间分成和两部分(见图2-8)。按相似直角三角形的几何关系，可知(2-6)(2-6)(2-7)(2-7)（2-8）经整理得这是一个超越方程，其中、与载波比n、调制度m都有关系，求解困难，而且，分别计算更增加了困难。因此，自然采样法虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，计算结果正确，却不适于微机实时控制。2、规则采样法自然采样法的关键问题是，SPWM波形每一个脉冲的起始和终了时刻和对三角波的中心线不对称，因而求解困难。工程上实用的方法要求算法简单，只要误差不大，允许作一些近似处理

40、。这样就提出了各种规则采样法。规则采样法的出发点是设法在三角载波的特定时刻处确定正弦调制波的采样电压值，使脉冲的起始和终了时刻对称，这样就比较容易计算求出对应于每一个SPWM波的采样时刻。图2-9 所示是一种规则采样法，以三角载波的负峰值作为采样时刻，对应的采样电压为。在三角载波上由水平线截得a、b两点，以此确定了脉宽时间。由于在两个三角载波波形正峰值之间的时刻即为，因此a点、b点与载波各正峰值的间隔时间分别为和，且=，而相应的SPWM波形相对于的中间时刻(载波负峰值对应的时刻)对称，这就大大简化了计算。需要指出的是，上述规则采样法所得SPWM波形的起始时刻、终了时刻以及脉宽大小都不如自然采样

41、法准确，脉冲起始时刻a点比自然采样法提前了，终了时刻b点也提前了，虽然两者提前的时间不尽相同，但终究相互之间有了一些补偿，对脉冲宽度的影响不大，所造成的误差是工程上能够允许的，毕竟规则采样法的算法简单多了。由图2-9可以看出，规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波(图中粗实线所示)，从而简化了算法。只要载波比足够大，不同的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的误差可以忽略不计31-35图2-9 生成SPWM波的一种规则采样法在规则采样法中，三角载波每个周期的采样时刻都是确定的，都在负峰值处，不必作图就可计算出相应时刻的正弦波值。例如采样值应依次为，,，因而脉宽时间和间歇时间都可以很容易计算出来。由图2

42、-12可得规则采样法的计算公式：脉宽时间 (2-9)间歇时间 (2-10)实用的变频器多是三相的，因此还应形成三相的SPWM波形。三相正弦调制波在时间上互差2/3，而三角载波是共用的，这样就可在同一个三角载波周期内获得图2-10所示的三相SPWM脉冲波形。在图中，每相的脉宽时间、和都可计算，求三相脉宽时间的总和时，等式右边第一项相同，加起来是其三倍，第二项之和则为零，因此:(2-11)图2-10三相SPWM波形的生成三相间歇时间总和为（2-12）脉冲两侧的间歇时间相等，所以（2-13）式中，下角标a、b、c分别表示a、b、c三相。在数字控制中，一般可以离线,先在计算机上算出不同与m时的脉宽时间

43、或后写入EPROM，然后由调速系统的微机通过查表和加减法运算求出各相脉宽时间和间歇时间，这就是查表法。也可以在内存中存储正弦函数和的值，控制时，先取出正弦值与调速系统所需的调制度m作乘法运算，再根据给定的载波频率取出对应的值，与作乘法运算，然后运用加、减、移位即可算出脉宽时间和间歇时间、，此即实时计算法。按查表法或实时计算法所得的脉冲数据都送入定时器，利用定时中断向接口电路送出相应的高、低电平，以实时产生SPWM波形的一系列脉冲。对于开环控制系统，在某一给定转速下其调制度m与频率都有确定值，所以宜采用查表法。对于闭环控制的调速系统，在系统运行中调制度m值须随时被反馈控制调节，所以用实时计算法更

44、为宜36。2.3小结本章首先介绍了逆变电路的原理，逆变电路主要包括有半桥逆变电路，全桥逆变电路以及带中心抽头变压器的逆变电路，本设计采用全桥逆变电路设计，全桥逆变电路可以看成是两个半桥电路的组合，其由四个全控型器件组成，开关器件1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°。其比半桥电路的幅值高出一倍，。波形相同，幅值增加一倍。接下来又研究了换流方式，换流方式有四种分别是器件换流，电网换流，负载换流，强迫换流。适当的门极驱动信号就可使其开通称为开通，全控型器件可通过门极关断。半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。

45、研究换流方式主要是研究如何使器件关断。接着又介绍了SPWM的产生原理以及生成方法，共有两种，分别是自然采样法和规则采样法，并且详细比较了两种采样方法的优缺点。自然采样法虽然生成的SPWM波形更接近正玹波，但是因为要求解超越方程，从而导致计算十分困难，而规则采样法在效果上和自然采样法所得SPWM相差不多，并且计算简单，所以在工程应用中大多采用后者。第三章 硬件设计本设计是基于单片机的正弦波输出逆变电源，根据实现功能和逆变电源的转换流程。系统的硬件可分为几大模块：主控制器，DC-DC驱动模块，DC-AC模块，保护模块，显示模块16。系统的硬件结构框图如下图所示。图3-1逆变电源系统框图主控制器采用

46、单片机STC12C5410AD。主要实现的功能是根据反馈输出电压、电流从而在液晶显示上显示。通过系统自带PCA模块，来对比寄存器的值，采用模拟脉宽调制法，控制端口输出正弦调制波即产生SPWM驱动。DC-DC驱动模块是利用经过PWM调制波将直流低压变为高频的方波。输出的高频方波经过整流滤波后转换为400V左右的直流电，给整个逆变电源提供足够的功率。DC-AC模块利用主控制器产生的SPWM纯正弦波调制到DC-DC电路产生的400V直流上，最终将这个直流电转换成220V，50Hz的交流电。保护模块主要有温度控制、输出保护、输入保护等。实现的功能包括根据采集到的温度控制散热风扇。如果输入电压过低，表示

47、蓄电池电量不足，停止转换，保护蓄电池。当输入电压过高时，切断输入，防止烧坏芯片。当输入正负接反时，切断电源输入，保护后级电路。输出短路时，自动停止逆变转换。当短路恢复后，自动恢复逆变转换。负载功率过高时，停止逆变转换。显示与告警模块有三部分。一是液晶显示屏，二是发光二极管，三是蜂鸣器。液晶屏可以显示输出的电压，电流，频率等信息。发光二极管用于指示电源的工作状态，保护状态的提示等。蜂鸣器是当发生短路、过载、输入过低或过高时发出蜂鸣声告知用户。3.1主控制器本次设计采用的主控制器是单片机STC12C5410AD。STC12C5410AD是宏晶公司生产的单时钟单片机，指令与8051系列完全兼容，但速

48、度却快了近10倍。拥有10K的程序存储空间和512B的数据存储空间。拥有高速运算、超低功耗、超强抗干扰的性能。每个IO口、电源引脚、晶振引脚、复位引脚都经过特殊的处理，对VCC和GND加入了二极管箝位保护，可以有效的防止干扰经过这些接口进入到单片机内部。自带看门狗电路，无需外置看门狗芯片，减小系统的体积和成本。内部集成了复位专用的MAX810电路，使得复位电路的设计更加方便。集成了4路可编程的PWM模块电路，使得通过编程来产生SPWM波形，最终调制出50Hz的交流电。集成了8路的高速10位AD转换模块，利用这些模块可以转换出反馈的交流电压和电流。单片机最小系统如图3-2示37-38。图3-2单

49、片机最小系统3.2 DC-DC模块的设计该模块的作用是将输入的12V低压直流电经过高频PWM脉冲调制，控制开关管的关断与闭合，输出一个低压的交流电。将该电压输入到高频变压器的低压端，变压器的高压端输出一个400V左右的交流电。将该电压经过整流后输出一个400V左右的高压直流电，然后将该电压供给下一级使用。根据该模块的功能，可以将该模块分为三个部分来设计。第一部分是调制PWM脉冲的产生。第二部分是变压器的设计。第三部分是输出电压的整流。3.2.1 PWM脉冲产生电路本次设计PWM脉冲产生采用的芯片是定频PWM芯片SG3525。芯片的1脚为反相输入端，2脚为同相的输入端，这两个管脚连接的是芯片内直

50、流开环增益为70db的两级差分误差放大器。芯片的5脚、6脚、7脚内的电路组成了SG3525内部振荡器。这三个引脚内部的比较器和电容充放电电路加上外接的电阻电容电路便可组成振荡器。芯片的3脚为振荡器的外部同步输入端。5脚外接电容，6脚外接电阻。振荡器的频率的计算公式如下：（3-1）振荡器产生的输出分为两路，一路送入双稳态触发器，输出方式为时钟脉冲的形式；另一路送至入比较器的同相输入端，输入方式为以锯齿波的形式。误差放大器输出的数据送入比较器的反相输入端。比较器根据输入的锯齿波和误差放大器的输出进行比较。输出一个方波，该方波的宽度随着误差放大器的输出电压高低而改变。该方波脉冲送入或非门其中一个输入

51、端，另两个输入端为双稳态触发器和振荡锯齿波。双稳态触发器是两个输出互补的波形，高低电平交替输出。产生的PWM脉冲送至晶闸管、的基极。锯齿波可以保证和不会同时导通，控制了死区时间。和输出PWM波，其相位差180°。芯片9脚和1脚之间需要连接反馈补偿网络使输出的波形更加正确。由于PWM产生电路属于高频电路，与后级电路存在相互干扰的可能性。因此将PWM产生电路单独设计，通过插接方式来连接39。设计的部分电路如图3-3所示。图3-3 PWM产生电路图3.2.2变压器的设计高频变压器作为逆变电源DC-DC模块中的核心器件，它的主要参数和性能指标直接决定整个逆变电源的优劣。高频变压器磁化特性曲线

52、工作在第一和第三象限。磁通变化范围较大，可以从到。因此，它属于对称式变压器。本次设计采用的E55铁氧体磁芯变压器。关于变压器的参数计算，主要有以下几项。(1)功率容量EE55的铁心柱截面积为3.515平方厘米。窗口面积为3.9平方厘米。功率容量的计算为。(3-1)(2)原边绕组匝数的计算公式:取整数10匝。(3)副边绕组匝数（3-2）根据原副边绕组匝数比公式可以计算出原副边绕组的匝数比为1：6。则副边绕组的匝数为60匝。绕制步骤先绕1/2次级绕组（高压部分）使用高温胶带在磁芯的骨架上粘一圈，可以防止导线打滑。用一根0.93线绕30圈左右，可以绕一层为准。采用高温胶带将次级绕组的外面包三层。(2

53、)初级绕组(低压部分)低压绕组分两层。绕制示意图如图3-4所示。图3-4 绕制示意图先用5根0.93线绕两圈，如图中红色。线中间留空隙。在空隙处用另5根线绕两圈，如蓝线。两根线的长度约37厘米。采用同样方法，绕第二层。两层中间采用高温胶带隔离。相当于10匝。(3) 另外1/2的次级绕组按照步骤1的方法，采用同样的绕向绕完剩下的1/2。采用高温胶带包三层左右。(4) 焊接引线绕组绕完后，将留出的线头，采用焊接在骨架上。并将线头去漆上锡。3.2.3输出整流电路的设计输出整流采用的是快速二极管SBYV26C组成的桥式整流电路。输出经过一个100uf/400V的电容滤波处理。经过滤波后输出一个400V

54、的直流电。供给下一级使用。PWM产生电路产生的两路PWM波P1和P2后，经过开关管的调制为交流电后，经过高频变压器，输出高频高压，经过四个二极管来整流。设计的电路如图3-6所示40。图3-5 DC-DC输出电路原理图3.3 DC-AC模块的设计逆变电源实现的主要功能便是直流到交流的转换，而该模块实现的主要功能便是直流到交流的转换。因此，该模块是整个系统中最重要的组成部分，是整个逆变电源的灵魂，起主导地位。逆变电源的性能很大程序取决于该模块的性能。该模块的转换原理是将DC-DC模块得到的400V直流电通过SPWM波形调制成220V/50Hz的交流电。然后通过LC滤波电路滤除其它杂波，使输出波形更

55、加完美。因此，该模块电路可以分为三部分。第一部分是驱动单片机产生的SPWM波形。第二部分是将接在400V直流电的开关管按SPWM波形闭合与断开。第三部分是对开关管的输出的波形进行滤波。详细介绍如下41。3.3.1 SPWM波驱动隔离的设计单片机直接输出的功率较小，而且容易受到后级功率型开关器件的干扰，从而引发灾难性的后果。因此，两部分电路的连接需要采用隔离驱动的方式。常用隔离驱动有两种方式，一种是光电隔离，一种是电磁驱动。光电隔离采用的主要器件为光耦。光耦的优点是体积小，结构简单，缺点是传输速度较慢。电磁隔离常用的器件是脉冲变压器。它的优点是响应的速度快，比光电隔离拥有较强的共模抑制比。但缺点

56、是体积大，加工复杂，对传输信号有一定的要求。比如占空比不能超过50%，能传输的信号最小宽度较小。本次设计采用的是IR2110S作为驱动器件。IR2110S是美国IR公司生产的封装为SO16的芯片，兼有体积小和速度快两个优点。IR2110S采用闩锁和HVIC的CMOS制造工艺的贴片封装，具有很强的抗干扰能力。低端和高端输入通道相互独立，互不干扰。悬浮电源采用的是自举电路，可以实现高端工作电压在500V。逻辑电源电压范围在5到15V，因此可以与单片机的TTL电平匹配。最高工作频率可以500KHz。开通、关断的延迟只有120ns和94ns。IR2110S的管脚如表3-1所示引脚名称功能引脚名称功能1LO低端输出9NC无效端2COM公共端10NC无效端3VCC电源电压11VDD逻辑电源电压4NC无效端12HIN逻辑高端输入5NC无效端13SD关断6Vs电源偏移电压14LIN逻辑低端输入7VB电源电压15Vss逻辑地8HO输出16NC无效端根据芯片的结构和管脚设计的电路原理图如图3-7所示。图3-6 驱动隔离原理图单片机输出的四路SPWM波输入到IR2110S的HIN和LIN。C23、C24、C30和C31为芯片电源的滤波电容。C22、C29为自举电容，D4、D21为自举二极管。开关管在导通时，需要在很小的时间内存储足