1、桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 目 录引言 .11 绪论 .21.1 逆变电源的广泛应用 .21.2 逆变电源的发展趋势 .31.3 本课题的任务 .32 逆变电源原理.52.1 开关逆变电源原理 .52.2 SPWM概述 .62.3 SPWM调制 .72.3.1 单极性正弦波脉宽调制方式.82.3.2 双极性正弦波脉宽调制方式.92.4 SPWM的采样方法 .102.4.1 自然采样法.102.4.2 规则采样法.102.4.3 等面积法.112.5 SPWM生成方法 .112.5.1 调制过程特征.132.5.2 载波比(N) .152.5.3 脉冲的占空度.172.6 本章
2、小结 .173 逆变主电路设计 .184 直流升压电路设计 .194.1 直流升压主电路拓扑确定 .194.1.1 升压环节拓扑结构比较.194.2 升压电路选择 .204.3 本章小结 .215 控制电路设计.225.1 PIC16F73单片机及外围电路设计 .225.2 驱动电路设计 .22桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 5.3 本章小结 .256 逆变电路设计.266.1 逆变电路拓扑确定 .266.2 逆变主电路的选择 .276.3 逆变主电路元器件及其参数选择 .286.4 本章小结 .287 采样反馈保护电路设计 .297.1 采样反馈电路设计 .297.2 保护电路
3、设计 .297.2.1NMOS 过 流保护的必要性 .297.2.2 设计短路保护电路要求.307.2.3 保护电路设计.307.3 本章小结 .318 软件设计 .328.1 正弦波脉宽的生成 .328.2 软件设计 .328.3 本章小结 .359 实验结果与展望 .369.1 实验结果 .369.2 展望 .3710 总结 .3810.1 设计中的不足 .38谢 辞 .39参考文献 .40附 录.41附录 1单片机控制电路 PCB.41附录 2 驱动电路 PCB.41附录 3 逆变电路 PCB.42附录 4 电压反馈保护电路 PCB.42附录 5 程序清单 .43桂林电子科技大学毕业设计
4、 （论文） 报告用纸 第 1 页 共 54 页引言随着国民经济的高速发展和国内外能源供应的紧张，电能的开发和利用显得更为重要。目前，国内外都在大力开发新能源，如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。一般情况下，这些新型发电装置输出不稳定的直流电，不能直接提供给需要交流电的用户使用。为此，需要将直流电变换成交流电，需要时可并入市电电网。这种 DC-AC变换需要逆变技术来完成。用电设备对市电电网造成严重的污染，反过来，被污染的市电电网也会使用电设备工作不正常，用电设备之间通过市电电网相互干扰。为解决此问题，必须提高市电电网的供电质量。以逆变技术为基础的电力有源滤波器和电能质量综合补偿器可以净化市电电网
5、，使其为用电设备提供高质量的电能。由于在用电高峰期间或者雷电、暴风雨等自然灾害可能造成市电电网的超量波动，甚至供电中断。这将造成用电设备工作失常，特别是计算机的数据丢失或者硬件的损坏。为此，需要不间断电源（UPS）来保证计算机的运行安全。UPS 中的核心部件是逆变器。本文的主要工作就是利用单片机设计正弦波逆变电源。第一章介绍了逆变电源的发展及应用；第二章介绍了逆变的工作原理；第三章到第六章介绍了本设计的硬件电路选择和软件设计；第七章是保护电路和反馈电路的介绍；第八章是调试样机的结果介绍及对所做的工作的一些展望；最后是总结。桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第 2 页 共 54 页1
6、 绪论1.1 逆变电源的广泛应用现代逆变电源以其高集成度、高性能比、最简的外围电路、最佳的性能指标等显著优点而受到青睐，可以说逆变电源从问世以来就引起了国内外电源界的普遍关注。随着逆变电源技术的不断完善，逆变电源已经广泛地应用于计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器中。近年来随着电子信息产业的飞速发展，人们对逆变电源的需求也与日俱增，逆变电源也因此显示了其强大的生命力。逆变技术在新能源的开发与利用领域有着至关重要的地位。21世纪是能源开发、资源利用与环境保护互相协调发展的世纪，能源的优化利用与清洁能源的开发，是能源资源与环境可持续发展战略的重要组成部分。具有世界三大能源之称的石油、天然
7、气和煤等化石燃料将逐渐被耗尽，氢能源与再生能源将逐渐取代化石料而成为人类使用的主体能源，这种能源的变迁将迫使发电方式产生一次大变革，使用氢能源与再生能源的高效低污染燃料电池发电方式将成为主体发电方式。因此，除此之外逆变技术还有下列主要应用:(l)交流电机变频调速:采用逆变技术将市电电网电压变换成幅值可调、频率、可调的交流电供给交流电动机，以调节电动机的转速，可用于控制风机、水泵、机床、轧机、机车牵引、电梯、传动及空调器等很多领域。(2)UPS电源系统:在许多领域中被广泛应用的计算机、通信设备、检测设备等都需要采用UPS电源。UPS电源主要由整流器(包括充电器)和逆变器组成。在市电有电时，整流器
8、为蓄电池充电;在市电停电时，蓄电池通过逆变器向负载继续供电。(3)电动汽车:随着汽车数量的不断增加，排放气体对环境造成的污染越来越严重，已经成为空气污染的主要来源。各大汽车公司均投入巨资积极发展电动汽车。不管是采用蓄电池的电动汽车还是采用燃料电池的电动汽车，在用交流电动机作为动力时，都必须用逆变器把电池的直流电能变换成交流电能来驱动交流电动机。(4)感应加热:中频炉、高频炉及电磁灶等设备都是采用逆变技术产生交流电，从而产生交变磁场，金属在磁场中产生涡流而发热，从而达到加热的目的。(5)谐波治理:市电电网中的谐波，主要是由各种电力电子装置、变压器、荧光灯等产生的。采用由逆变器制成的电力有源滤波器
9、APF和静止无功功率补偿器SVC，可以有效地治理市电电网的谐波污染。这是当前正在兴起的一门新技术。另外，逆变技术在弧焊电源、通信开关电源、医用电源、变频电源以及航空逆变器等领域都有应用。总之，逆变器技术已经涉及各行各业，以及各种领域的用电设备。桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第 3 页 共 54 页1.2 逆变电源的发展趋势逆变器也称逆变电源，通过半导体功率开关的开通和关断作用，将直流电能转变成交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程，是太阳能光伏发电系统、风力发电系统中的一个重要部件。逆变技术的原理早在1931年就有人研究过。从1948年美国西屋电气公司研制出第一台逆变器：感
10、应加热逆变器至今已有近60年历史了，而晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了20世纪70年代，可关断晶闸管(GTO)、电力晶闸管(BJT)的问世使得逆变技术得到发展应用。到了20世纪80年代，功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化、大容量化创造了条件。进入20世纪80年代后，逆变技术开始从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件、提高开关频率的方向发展，使逆变器体积进一步减小，效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。另
11、一方面，微电子技术的发展为逆变技术的实用化建立了很好的平台，传统的逆变器需要通过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成。随着逆变技术复杂程度的增加，所需处理的信息量越来越大，而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求，从8位的带有PWM口的微处理器到单片机，发展到今天的32位DSP器件，使先进的控制技术如矢量控制技术、模糊控制等在逆变领域得到较好的应用。总之，逆变电源虽然发展历史不长，但是发展速度迅速，它是一种更新换代的革命性电源。逆变电源在现代援术及新器件的支持下，无论是可靠性还是性能价格比，以及高效节能方面，都将不断进步和提高。电力电子功率开关器件向高压大容量化、集成化、全控化、高频化及多
12、功能化的方向发展，材料学科的超导材料和软磁材料的惊人发展速度以及智能化控制技术、信息网络技术的发展，都促使逆变电源向着高效率、大功率、高可靠性的方向发展。因此，逆变电源的开发、研制、生产成为发展前景十分诱人的。1.3 本课题的任务本课题设计主要论述了基于单片机控制逆变稳压电源的基本原理、结构和设计过程,并且在搭接实验电路之前,利用仿真工具软件对所设计的电路进行仿真,验证电路的可行性,最后在此基础上完成样机的调试工作。本文设计的电源是输入电压为36V48V，负载电流有效值为 0.11A 时，输出线电压有效值应保持在 220V,在设计中,我们采用 SPWM 逆变控制技术,单片机控制输出 SPWM
13、波,驱动开关元件的电压型逆变电路,最后把直流电压逆变成稳定的交流电压。下面是本文所做的主要工作：桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第 4 页 共 54 页1在比较全桥、半桥及推挽3种拓扑各自特点的基础上，采用并联MOS管驱动的推挽变换器作为前级DC/DC升压电路，并实现各种保护功能；2选用Microchip公司的高性能16位单片机为主控核心，并设计逆变系统的控制电路及相关软件；3采用前馈加反馈的复合控制策略，使系统的电压、频率精度分别为220V+5、50Hz、a：05；4研制一台独立运行逆变系统样机，优化各模块间的布局；实现输入过欠压、输入过流、输出过载、输出短路、等保护功能。桂林
14、电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第 5 页 共 54 页2 逆变电源原理2.1 开关逆变电源原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本提同，是指环节输出效应波形基本相同。如果个输出波形的傅立变换进行频谱分析，可发现它们的低频段特往非常接近，仅在高频仅略有差异。例如图2-1a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，(图2-1a为矩形脉冲，图2-1b为三角形脉冲，图2-1c正弦半波脉冲)但是它们的面值(即冲量)都等于l，那么，当他们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄
15、，其输出的差异越小。当窄脉冲变为图2-1d的单位脉冲函数f(t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过度函数。f（t）f（t）f（t）f（t）d）c）b）a）0000图2-1形状不同而冲量相同的各种脉冲上述结论是SPWM的重要基础，用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第 6 页 共 54 页幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的SPWM波形。 uo wtouwta)b)图 2-2 用 SPWM 波
16、代替正弦半波 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可得到 SPWM 电流波：电流型逆变电路进行 SPWM 控制，得到的就是 SPWM 电流波。SPWM 波形可等效的各种波形： 直流斩波电路：等效直流波形 SPWM 波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和 SPWM 控制相同，也基于等效面积原理。2.2 SPWM概述所谓SPWM技术就是用功率器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲系列，以实现变压变频及控制和消除谐波为目标的技术，也就是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法。这里所谓相当于桂
17、林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第 7 页 共 54 页基波分量的信号波并不一定指正弦波，在SPWM优化模式控制中可以是预畸变的信波，当然不同信号调制后生成的SPWM脉宽对变频效果，比如输出基波电压幅值、基波转矩、脉动转矩、谐波电流损耗、功率半导体开关器件的开关损耗等的影响差异很大。SPWM技术最初应用于直流变换电路，随后将这种方式与频率控制相结合，产生了应用于逆变电路的SPWM控制技术。用改变调制信号频率实现输出电压基波频率的调节：用改变调制信号幅值实现输出电压基波幅值的调节。具体来说，就是用一种参考正弦波为“调制波”，而以N倍于调制波频率的三角波为“载波”。由于三角波或锯齿波的
18、上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得一组幅值相等，而宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变换成交流电。随着逆变器在交流传动、UPS电源和有源滤波器中的广泛应用，以及高速全控开关器件的大量出现，SPWM技术己成为逆变技术的核心，因而受到了人们的高度重视。尤其是最近几年，微处理器应用于SPWM技术和实现数字化控制以后，更是花样翻新，到目前为止仍有新的SPWM控制方式在不断出现。目前已经提出并得到应用的SPWM控制技术就不下十种。尤其是微处理器应用于SPWM技术之后，SPWM技术得到了进一步的发展，从追求
19、电压的正弦波到电流的正弦波，再到磁通的正弦波；从效率最优到转矩脉动最小，再到噪音最小等，SPWM控制技术经历了一个不断创新和不断完善的过程。2.3 SPWM 调制SPWM 脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用 SPWM 逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。
20、SPWM 变频电路具有以下特点：1. 可以得到相当接近正弦波的输出电压；2. 整流电路采用二极管，可获得接近 1 的功率因数；3. 电路结构简单；4. 通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压，加快了变频过程的动态响应,现在通用变频器基本都再用 SPWM 控制方式，所以介绍一下 SPWM 控制的原理。控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频桂林电子科技大学毕业设计 （论文） 报告用纸 第 8 页 共 54 页段特性非常接
21、近，仅在高频段略有差异。根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。例如，把正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半波看成由 N 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 /n ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是 SPWM 波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，SPWM 波形
22、和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到 SPWM 波形。在 SPWM 波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交直交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，SPWM 逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，SPWM 波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的 SPWM 波形。2.3.1 单极性正弦波脉宽调制方式所谓单极性控制是指在输出波形的半个周期内，逆变器同一桥臂中的两个开关元
23、件只有一个处于不断切换的开关状态，另一个则始终处于关断状态。因此，输出波形在任何半周期内始终为一个极性，单极性控制方式的 SPWM 波形如图 2-3 所示，载波信号 Ur 采用单极性等腰三角形波，控制信号 U c 为正弦波形。当 U cUr 时，元件开通；当 U cUr 时，元件关断，形成的调制波是等幅、等距但不等宽的脉冲列，经半波倒相后输出。改变控制信号 U c 的幅值时，调制波的脉宽将随之改变，从而改变了输出电压的大小。改变控制信号 U c 的频率，则输出电压的基波频率亦随之而改变，这样就实现既可调压又可调频的目的。用幅值为 Ur 的参考正弦波 Ur 与幅值为 U c 、频率为 fc 的三角波 U c 比较，产生功率开关驱动信号。单极性正弦脉宽调制原理波形如图 2-3 所示，用单相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截、再通过倒相得到功率开关驱动信号，或直接用参考正弦波与单向三角形载波交截产生功率开关驱动信号。
