1、分类号： TN709 本科生毕业论文（设计）题目： 基于单片机的逆变电源系统设计 作 者 单 位 物理学与信息技术学院 作 者 姓 名 刘 燕 专 业 班 级 电子信息科学与技术专业 指导教师 (职称 ) 强 宁(讲师) 论文完成时间 二一二年五月 基于单片机的逆变电源系统设计 刘燕（陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安，710062）摘 要：本文介绍了基于 AT89C51 微控制器单相正弦波逆变电源的全数字化控制系统。可用于将蓄电池提供的 12V 直流电压逆变为输出 220V50Hz 的交流电。该电源系统采用推挽升压和全桥逆变两级变换，在控制电路上，前级推挽升压电路采用 SG3525 芯片
2、控制，闭环反馈；逆变部分采用驱动芯片 IR2110 进行全桥逆变，采用 U3990 完成 SPWM 的调制，后级输出采用电流互感器进行采样反馈，形成双重反馈环节，增加了电源的稳定性；在保护上，具有输出过流保护电路，增强了该电源的可靠性和安全性；输出交流电压通过 AD637 的真有效值转换后，再由 AT89C51 单片机的控制进行模数转换，最终将电压值显示到液晶上，形成了良好的人机界面。并详细说明了该逆变电源系统的原理构成和各部分电路的工作原理。关键词：单片机 逆变电源 正弦脉宽调制1 引言在数字化信息时代的今天， 网络技术在不断发展的同时，对逆变电源也提出了更高的要求，高性能的逆变电源必须满足
3、：高输入功率因数，低输出阻抗；暂态响应快速，稳态精度高；稳定性高，效率高，可靠性高；电磁干扰低等。要实现这些功能，离不开数字化控制技术 1。本文设计了基于单片机的逆变电源系统是以 AT89C51 单片机控制的逆变电源系统，克服了传统控制系统元器件多，电路复杂，灵活度不够等缺点。逆变主电路采用了两级逆变装置，增强了系统的可移植性，并且运用了单相全桥逆变电路使得系统便于控制，稳定性更高。设计中使用系统将蓄电池 12V 直流电压逆变为 220V 50Hz 的正弦波交流电。 2 逆变电源的原理利用晶闸管电路把直流电转变成交流电,这种对应于整流的逆向过程, 定义为逆变。把直流电逆变成交流电的电路称为逆变
4、电路。在特定场合下，同一套晶闸管变流电路既可作整流，又能作逆变。而逆变器就是把直流电压变换成固定或可调交流电压的装置。变流器工作在逆变状态时，如果把变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去，叫有源逆变。如果变流器的交流侧不与电网联接，而直接接到负载,即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，则叫无源逆变。交流变频调速就是利用这一原理工作的。有源逆变除用于直流可逆调速系统外，还用于交流饶线转子异步电动机的串级调速和高压直流输电等方面 2。 3 基于单片机逆变电源系统的设计本文利用 AT89C51 单片机设计逆变电源的系统，可将蓄电池输入的 12V 电压逆变
5、为 220V50HZ 的交流输出电压。无需复杂的软件编程，只需要少量的外围器件，使得设计出的系统结构简单，控制方便，性能稳定，抗干扰能力强，同时还以与单片机构成智能控制，具有良好的故障处理机制。3.1 系统硬件电路的设计系统方框图如图 1 所示，先采用 DC-DC 变换器把 12V 蓄电池的电压升至312V，保证输出有效值为 220V 的正弦波不出现截止失真和饱和失真。输出电压反馈采用调节 SPWM 信号脉宽的方式。因为 SPWM 控制器输出的 SPWM 信号不含死区时间，所以增加了死区时间控制电路和逆变桥驱动电路。输出电流检测使用电流互感器和真有效值转换芯片 AD637 实现。输出电压也使用
6、 AD637 转换后，由 ADC 采样后分析，单片机控制在液晶屏幕上显示。图 1 系统框图3.1.1 DC-DC 变换器控制电路的设计DC-DC 变换器控制电路如图 2 所示。SG3525 是电流控制型 PWM 控制器，1 2 V 蓄电池 D C - D C D C - A CP W M 控制器S G 3 5 2 5S P W M 驱动I R 2 1 1 0死区时间控制S P W M 控制器U 3 9 9 0电压有效值转换电流有效值转换保护电路A D C 0 8 3 2A T 8 9 C 5 1单片机液晶显示输出电压所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接
7、用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器 3。SG3525 通过 15 脚输入 12V 的直流电压，为其供电，通过脉宽调制芯片，从 14 脚和 11 脚输出 2 路 PWM 波，用来对开关管进行调制，从而把直流信号变成方波信号。, 构成了电压反馈回路。1pR8图 2 SG3525 控制电路图推挽式拓扑结构原理图如图 3 所示。PWM 波调制的方波信号经变压器升压后，在经过由 D1，D2 以及 LC
8、 整流滤波网络 4变成稳定的 312V 直流电压Vout。Inv.utVrefNoic/SyOBCGdADshagwm-465709Uk+FPWM图 3 推挽式拓扑结构原理图3.1.2 DC-AC 电路的设计全桥逆变电路图如图 4 所示。电路采用两个半桥驱动芯片 IR2110 分别驱动全桥的两边场效应管按驱动信号 SPWM 波交替导通，输出功率放大的 SPWM 波5。图 4 全桥逆变电路图3.1.3 SPWM 波的实现（1）SPWM 波的原理 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，脉冲的宽度也小，
9、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 6。（2）实现方法LOCMVNS5B6H78D9I0UR+FG.uQkoPW_D1D2Cin+CoutLoSW2SW1T出出VCCGND+-VinVout出出U3990 是数字化的、专为车载、太阳能、风力、数码发电机而设计的纯正弦波单相逆变电源主控芯片，它不仅可以输出高精度的 SPWM 正弦波脉冲序列，还可以实现稳压、保护、空载时自动休眠等功能，并且具备 LED 指示灯驱动、蜂鸣器控制、逆变桥控制引脚，从而可以利用该芯片组成一个性能优良的逆变电源系统。U3990 的内部构成主要有：正弦波发生器、
10、双极性调制脉冲产生逻辑、50Hz（或 60Hz）时基、电压反馈 / 短路检测、正弦波峰值调压稳压单元、外部扩展的保护响应逻辑、负载检测、过温检测、电池电压测量、逆变控制、指示灯控制、蜂鸣器控制、抗干扰自恢复单元构成。整个电路封装成一个 18 引脚IC（DIP18 ） ，其引脚图功能 7如下。VDD是芯片的电源引脚，接单一+5V；GND 是地；OSC1 、OSC2 是时钟引脚，接 20MHz 晶振；OUTA、 OUTB 是正弦波 SPWM 脉冲序列的输出引脚，这两个引脚输出的信号一般要通过死区控制电路才能送到逆变桥；OUTG 是逆变桥使能控制输出，该引脚输出低电平时允许逆变桥工作，输出高电平时则
11、禁止逆变桥工作；AV_CK 是逆变输出电压反馈引脚，该引脚接受的是模拟量输入，逆变桥最终输出的正弦波交流电压通过反馈电路送到该引脚，由芯片对逆变输出电压实现稳压、调压和短路检测；BT_CK 是电池电压测量引脚，是模拟量输入引脚，电池电压经过电阻降压送到该引脚，由芯片对电池实现欠压保护，若不需要使用该引脚，可以直接接+5VTP_CK 是温度测量引脚，这也是模拟量输入引脚，温度传感器（热敏电阻）产生的电压送到该引脚，芯片会根据该引脚电压的变化，判断温度是否异常，并决定是否需要过温保护，若不需要使用该引脚，也可以直接接地；RS_CK 引脚是负载检测输入，芯片由此引脚的高低电平判断逆变电源是否空载；空
12、载时要将该引脚拉成高电平，芯片由此引脚实现空载自动休眠、有负载自动逆变输出的功能；LED_T 引脚过温保护指示灯输出，低电平点亮 LED，过温时指示灯闪烁；LED_L 引脚是逆变/欠压指示输出，低电平时表示逆变状态，慢闪烁时为欠压告警，快闪烁时为欠压保护，短闪烁时表示休眠；LED_P 引脚是保护指示输出，当检测到短路或者外部的扩展保护时，芯片停止逆变，进入保护状态，此时指示灯闪烁；PROT 引脚是扩展保护输入引脚，高电平有效，用户可以通过外部的或门逻辑实现过流等保护输入；BEEP/TEST 是双向引脚，正常工作时是蜂鸣器控制输出引脚，通过三极管驱动电磁式蜂鸣器，当在芯片加电的瞬间，该引脚是输入
13、引脚，用来检测外部TEST 跳线的状态； FAN 是风扇控制输出引脚，高电平有效；NC 引脚是空余的引脚，一定要接到高电平。在逆变状态下，OUTA、OUTB 引脚输出的是双极性的 SPWM 脉冲序列，OUTA 输出的 SPWM 脉冲序列，经过逆变后对应正弦波的正半周；OUTB 输出的 SPWM 脉冲序列，对应正弦波的负半周。两路 SPWM 驱动脉冲分别接到两个全桥驱动芯片 IR2110 的输入端，IR2110 驱动全桥的两边场效应管按驱动信号SPWM 波交替导通 8。3.1.4 真有效值转换电路的设计真有效值转换电路采用高精度的 AD637 芯片，逆变电源的输出电压及电流经 AD637 进行有
14、效值变换后的模拟电压信号送 A/D 转换器 AD0832，由AT89C51 控制 AD0832 进行模/数转换，并对转换结果进行运算处理。 为电inV_流传感器对输出电流采样转化为电压后的输入口， 为输出电流转换为电OutioRMSV_压后的真有效值输出口。3.2 保护电路的设计3.2.1 过流保护电路的设计过流保护电路如图 5 所示。通过比较器 LM311 对电流互感器采样转化的电压进行比较 9，LM311 的 3 脚接一 10k 电位器来调比较基准电压。当电流过流时比较器输出是高电平产生保护，使 SPWM 不输出，控制场效应管关闭，等故障消除，比较器输出低电平，逆变器又自动恢复工作。图 5
15、 过流保护电路GNDp10k24768U9L+CFPT出3.2.2 电流检测电路的设计电流检测电路通过电流互感器采样输出电流，通过一个 390 的电阻转化成电压值，再用 AD 采样进单片机,由 12864 液晶显示电压。 3.3 死区时间控制电路的设计死区时间设置电路通过用数字电路延时实现死区时间设置，很显明获得死区时间的方法是驱动信号的下降延不延时，只延时驱动信号的上升延，电路中采用了 74HC08 的与门逻辑电路 10集成芯片，为了使波形最小失真，死区时间设为150ns，电阻选 47k，电容选 30pF。3.4 低通滤波器的设计低通滤波器原理图如图 6 所示。低通滤波器采用一阶无源 LC
16、低通滤波器，低通滤波器 L、C 的取值可由下式得(1)2(cLfRQCfc2)(1(2)为了避免磁环电感饱和，Q 值取 0.1，截止频率为 3.5kHz，经计算，C 的值为 1.13F，实取 0.68F。 L 为 3.04mH，实取 2.36mH。图 6 低通滤波器原理图4 软件设计4.1 ADC0832 的控制程序的设计ADC083211是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片。它体积小，兼容性强，性价比高。正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 CS、CLK、DO、DI。但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效并与单片机的
17、接口是双向的，所以电路设计时可以将 DO 和 DI 53.mH09uFGNDPSWM_AB并联在一根数据线上使用。当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和 DO/DI 的电平可任意。当要进行 A/D 转换时，须先将 CS 使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲， DO/DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号。在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平，表示启始信号。在第 2、3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功能。当此 2 位数
18、据为“1” 、 “0”时，只对 CH0 进行单通道转换。当 2 位数据为“1” 、“1”时，只对 CH1 进行单通道转换。当 2 位数据为 “0”、 “0”时，将 CH0 作为正输入端 IN+，CH1 作为负输入端 IN-进行输入。当 2 位数据为“0” 、 “1”时，将 CH0 作为负输入端 IN-，CH1 作为正输入端 IN+进行输入。ADC0832 的应用原理图如图 7 所示。ADC0832 的接线图比较简单，将 D0和 DI 短接，CLK， 和 D0 分别与 AT89C51 单片机的端口连接。CH0 和 CH1CS分别为电压输入通道 0 和通道 1，此处用到通道 0 来测量逆变电源输出
19、的电压。图 7 ADC0832 应用原理图4.2 液晶显示驱动的设计CH 0CH 1+5 V/ CSCL KD0DI1234 5678U15AD C0832GN DVC C开发仿真软件使用 C 语言 12编程。采用 YJD12864C1（汉字图形点阵液晶显示模块） ，可显示汉字及图形，内置 8192 个中文汉字（16X16 点阵） 、128 个字符（8X16 点阵）及 64X256 点阵显示 RAM（GDRAM） ，显示内容为 128 列64行。该模块有并行和串行两种连接方法，在本设计中采用并行连接方法 13。该部分利用 AT89C51 单片机来控制液晶显示，显示输出电压 14。程序流程图如图
20、 8所示。图 8 程序流程图 5 结论及分析逆变电源数字化控制的优点在于各种控制策略硬件电路基本是一致的，要实现各种控制策略，无需变动硬件电路，只需修改软件即可，大大缩短了开发周期，而且可以应用一些新型的复杂控制策略，各电源之间的一致性很好，这样为逆变电源的进一步发展提供了基础，而且易组成可靠性高的大规模逆变电源并联运行系统。本文主要论述了主电路采用蓄电池组直流供电, 经 IGBT 模块构成的逆变功率桥, 经逆变变压器滤波得到高质量的正弦波电压, 从而组成了高效智能型的逆变电源, 整个系统结构合理、简洁明了、工作可靠、维护方便, 具有一定的使用价值。初始化 I / O开始初始化A D C 0 8 3 2 和 L C D对电压进行采样L C D 显示电压数值结束
