单相双极性SPWM逆变器设计

指导教师：彭华单相双极性SPWM

调制器的设计学院：信息科学与工程学院学生：彭华学号：0909082415

近年来，随着能源危机的日趋严重，电气工程师一直致力改善供电质量，欧美约有70%的电能经电力电子装置处理后使用，节约能源20%。到2000年处理后使用的能源已达到90%。目前，世界上的几个主要的大电气公司所生产的逆变器.基本上都是采用PWM调制技术，而在大功率方面，考虑到开关损耗的原因，基本上采用阶梯波叠加的调制技术。80年代后期，电力电子技术在国内开始使用，随着改革开放的步伐加速，技术也越来越成熟，尽管如此，我国经电力电子技术处理后使用的电能不足30%，普及率远低于国外，而其中的梯形波PWM技术虽有相关应用，却也未大范围推广。系统的背景及意义本文提出的PWM型逆变器用梯形波代替正弦波调制信号,是一种新型脉宽调制技术,梯形波作为调制信号，三角波为载波，以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制。正弦PWM逆变主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的，忽视了直流电压的利用率，其直流电压利用率在最理想的条件下仅为86.6%，实际应用中更低。梯形波作调制信号与用正弦波作调制信号相比较，它能使逆变器输出的PWM波形中基波分量幅值高，可以有效地提高直流电压利用率。在电机传动领域中我国电机每年要消耗62%的电能。而利用梯形脉宽调制技术不仅能给电机提供良好的调速性能，还能大大节约能源，在我国有着广阔的市场前景，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。系统的背景及意义论文的结构和主要内容第一部分单相逆变器SPWM调制电路的基本结构图PWM调制技术及双极性调制第二部分硬件设计单片机的最小系统设计驱动电路设计显示电路设计论文的结构和主要内容第三部分双极性调制算法算法子程序设计显示子程序设计主程序设计第四部分数据分析总结7-6SPWM逆变电路及其原理分析工作时上下管通断互补。单相桥式PWM逆变电路调制控制信号的产生一般常采用指令电压与三角波比较获得。根据对IGBT在一个开关周期调制控制的方法不同，输出电压具有不同的电平形式。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud指令信号电压Ur称为调制信号电压（波），它的频率决定了输出电压、电流的基波频率。三角波信号电压Uc称为载波电压，它的频率决定了功率管的调制开关频率。单极性SPWM控制方式（单相桥逆变）负载电流为负的区间，V1、V4门极正，但io为负，io从VD1和VD4流过，V1V4承受反压，无电流；uo=Ud

。V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可得到Ud和零两种电平。uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制V3/V4的通断。ur正半周，V1保持通，V2保持断。表示uo的基波分量双极性PWM控制方式（单相桥逆变）ur半周期内，三角波正负对称，输出PWM波有正有负，其幅值有±Ud两种极性的电平。ur正负半周，各器件的控制规律相同。ur>uc时，V1和V4正驱动，V2和V3关断。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud。ur<uc时，V2和V3正驱动，V1和V4关断。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。一周期内输出平均电压为(2a-1)Ud。a=0.5时输出电压平均值为0。图7-6双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud7-9单、双极式控制方式的比较图7-5双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图7-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。单相双极式SPWM逆变电路载波双极性对称三角波

uc，频率fc调制波

正弦波ur,频率f调制比频率比脉宽随时间按正弦规律变化单相双极式SPWM逆变电路输出电压基波阻感性负载电流基波滞后1，4驱动，2，3关断，U0>0电流负，二极管续流，1，4管虽有驱动但被反压嵌位不导通电感释放能量，电流幅值下降2，3驱动，1，4关断，U0<0,2,3导通，电流负向上升，电感吸收能量2，3驱动，1，4关断，U0>0二极管1，4续流直到负电流降为0。V1，4负嵌位解除，转入导通，电流变正上升。电源端输出电流为负，吸收回馈能量电源输出正电流，向逆变器输送能量载波双极性对称三角波

uc，频率fc调制波

正弦波ur,频率f调制比频率比

脉宽随时间按正弦规律变化单片机最小系统设计本设计采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，容易实现系统扩展，能有效输出两路PWM波形，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制。STC12C5A60S2单片机有60K的Flash程序存储字节，36个I/O口，具有两路PWM输出、8路10位ADC模数转换、每个I/O能设置成弱上拉、强上拉、高阻、开漏模式，I/O在弱上拉时输出电流为0.15~0.25mA。该单片机内置上电复位电路，性价比高，抗静电，抗干扰，低功耗，低成本。STC12C5A60S2单片机最小系统如图6所示：STC12C5A60S2单片机最小系统主程序设计STC12C5A60S2单片机的端口、SPWM输出的占空比、ADC、1602液晶显示屏都经过初始化后，继电器会延时一秒合上，经过数字平均滤波，会检测电流值，当电流值大于2A时，将会关闭所有MOS管，保护调制器不被烧坏。当流值在正常值时，会根据ADC3的值输出与之成正比的SPWM波形。主程序流程图如下图所示：主程序主程序流程图设计开始单片机端口、PWM、ADC、1602初始化继电器延时1秒查询通道0、3的ADC值数字滤波关断所有MOS管ADC0>12(电流大于2A)根据ADC3的数字输出与之成正比的SPWM1602显示当前频率1602显示错误信息NOYES数据分析单片机输出SPWM波形50HZ时测试结果如下图所示。算法计算频率为50HZ,实际实验结果频率为50.1337HZ,计算值与实际值偏差不大。数据分析单片机输出SPWM波形20HZ时测试结果如下图所示。算法计算频率为20HZ,实际实验结果频率为20.8572HZ,计算值与实际值偏差不大。数据分析单片机输出SPWM波形97HZ时测试结果如下图所示。算法计算频率为97HZ,实际实验结果频率为96.7070HZ,计算值与实际值偏差不大。系统仿真结论多方测试结果可以看出，该调制器能输出20~100HZ的正弦波电流。并且实际值与理论值偏差非常小，说明单相双极性SPWM调制器的性能指标达到了预期的要求。另外本调制器外接LCD显示及按键，可手动调节频率，并显示。同时该系统具有过流保护功能，可以在输出大于2A电流的情况下切断交流输出，大大增加了系统的安全性和稳定性。论文结论该调制器的设计全面阐述了逆变器的基本结构、驱动原理以及软硬件的设计。本文所设计的基于STC12C5A60S2单片机的调制器具有硬件结构简单、保护功能完善等特点。主要实现了如下功能：(1)采用STC12C5A60S2作为控制核心，加强智能控制；(2)安全