单相桥式PWM逆变电路设计.doc

1、指导教师评定成绩： 审定成绩： 重 庆 邮 电 大 学自 动 化 学 院综合设计报告设计题目：单相桥式 PWM 逆变电路设计单位（二级学院）： 自 动 化 学 院 学 生 姓 名： 梁 勇 专 业： 电气工程与自动化 班 级： 0830702 学 号： 07350225 指 导 教 师： 罗 萍 设计时间：年 月重庆邮电大学自动化学院制1目 录一、课程设计任务2二、SPWM 逆变器的工作原理 .21.工作原理32.控制方式43.单片机电源与程序下载模块74.正弦脉宽调制的调制算法.85.基于 STC 系列单片机的 SPWM 波形实现.11三、总结14四 、 心 得 体 会 15五 、 附 录

2、： .171.程序172.模拟电路图193.电路图222摘 要 ：单片机控制逆变电路，以逆变器为主要元件，稳压、稳频输出的电源保护设备。采用面积等效的 SPWM 波，又单片机为主导，输出三角波和正弦波再由这两个波相叠加输出 spwm 波来控制逆变电路的触发，使其把直流编程频率可变的交流电关键字：单片机 逆变电源 正弦波 脉冲触发单相桥式 PWM 逆变电路设计一、课程设计任务对单相桥式 pwm 逆变电路的主电路及控制电路进行设计，参数要求如下：直流电压为 12 V，L=1mH，要求频率可调，输出为 5V 的正弦交流电。设计要求：1.理论设计：了解掌握单相桥式 PWM 逆变电路的工作原理，设计单相

3、桥式 PWM 逆变电路的主电路和控制电路。包括：IGBT 电流，电压额定的选择驱动电路的设计画出完整的主电路原理图和控制原理图列出主电路所用元器件的明细表二、SPWM 逆变器的工作原理由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作 N等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由 N 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出 SPWM 波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电

4、，逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为实用的办法是引用通信技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波(ModulationWave )，而受它调制的信号称为载波 (Carrier Wave )。在 SPWM 中3常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，

5、即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是 SPWM 所需要的结果。1.工作原理图 2-4 是 SPWM 变频器的主电路，图中 VTlVT6 是逆变器的六个功率开关器件(在这里画的是 IGBT)，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压 U 供电。图 2-5 是它的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号 由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，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 是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或C“零”的饱和输出，产生 SPWM 脉冲序列波 作为逆变器

6、功率,dabdcU开关器件的驱动控制信号。主电路当 时，给 V4 导通信号，给 V1 关断信号rU /2Ndu给 V1(V4)加导通信号时，可能是 V1(V4)导通，也可能是 /NdVD1(VD4)导通。 和 的 PWM 波形只有Ud/2 两种电平。当 urUuc 时，WN4给 V1 导通信号，给 V4 关断信号， 。 波形可由 /2UNduUVu得出，当 1 和 6 通时， = ，当 3 和 4 通时， = ，当UNVuVUVd1 和 3 或 4 和 6 通时， =0。输出线电压 PWM 波由 Ud 和 0 三种电平构成负UV载相电压 PWM 波由(2/3) 、(1/3) 和 0 共 5 种

7、电平组成。dd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。控制电路2.控制方式脉宽调制的控制方式从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性之分:参加调制的载波和参考信号的极性不变，称为单极性调制;相反，三角载波信号和正弦波信号具有正负极性，则称为双极性调制。(1)单极性正弦脉宽调制单极性正弦脉宽调制用幅值为 的参考信号波 与幅值为 ,频率为 的rUrofof三角波 比较，产生功率开关信号。其原理波形如图 2-6 所示。图

8、2-6 是用单cU相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截，再通过倒相产生功率开关5驱动信号。参考波频率 fr 决定了输出频率 fo，每半周期的脉冲数 P 决定于载波频率fc。即:P= (2-1) 用参考电压信号的幅值 Ur，与三角形载波信号的幅值 Uc 的比值，即调制度m = Ur/Uc，来控制输出电压变化。当调制度由 01 变化时，脉宽由 0/p 变化，输出电压由 0 E 变化。如果每个脉冲宽度为 ，则输出电压的傅里叶级数展开式为:（2-2)系数 An 和 Bn 由每个脉宽为 ，起始角为 的正脉冲来决定和对应的负脉冲起始角 + 来决定。如果第 j 个脉冲的起始角为 j 则有(2-3a)

9、 (2-3b)由式(2-3a)、式(2-3b)可计算输出电压的傅里叶级数的系数(2-4a)(2-4b)6单极性正选脉宽调制 SPWM 原理波形(2)双极性正弦脉宽调制双极性正弦脉宽调制原理波形如图 2-7 所示。输出电压 u0(t)波形在 02区间关于中心对称、在 0 区间关于轴对称，其傅里叶级数展开式为式（2-5）中7输出电压 u0（t）可看成是幅值为 E，频率为 fo 的方波与幅值为 2E、频率为 fc的负脉冲序列(起点和终点分别为 的叠加。因此12321,.,p则输出电压为输出电压基波分量 为需要注意的是，从主回路上看，对于双极性调制，由于同一桥臂上的两个开关元件始终轮流交替通断，因此容

10、易引起电源短路，造成环流。为防止环流，就必须增设延时触发环节，设置死区。3.单片机电源与程序下载模块 8程序下载模块电源模块MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v 单电源供电。主要特点有:符合所有的 RS-232C 技术标准、只需要单一 +5V 电源供电 ；片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V 和-10V 电压 V+、V- ；功耗低，典型供电电流 5mA ；内部集成 2 个RS-232C 驱动器 ；内部集成两个 RS-232C 接收器。用 78/79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还

11、有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如 7806 表示输出电压为正 6V，7909 表示输出电压为负 9V。4. 正弦脉宽调制的调制算法三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，控制逆变器中开关元件导通和关断各一次。要准确的生成 SPWM 波形，就要精确的计算出这两个点的时间。开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲间隙。正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的控制由定时器完成，是很方便的，关键在于调制算法。调制算法主要有自然采样法

12、、规则采样法、等面积法等。91.自然采样法按照 SPWM 控制的基本原理，在正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度和间隙的采样，去生成 SPWM 波形，成为自然采样法。如图 2-8 所示图 2-8 自然采样法原理图2.规则采样法为使采样法的效果既接近自然采样法，没有过多的复杂运算，又提出了规则10采样法。其出发点是设法使 SPWM 波形的每个脉冲都与三角波中心线对称。这样，图 2-9 中的 法。计算就大大简化了。图 2-9 规则采样法原理图3.双极性正弦波等面积法正弦波等面积算法的基本原理为:将一个正弦波等分成 H，个区段，区段数一定是 6 的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差 ，要从一相正弦波t

13、H 120方便地得到其他两相，必须把一个周期分成 6 的整数倍。由图 2-10 可见，越大，输出波形越接近正弦波。在每一个区段，等分成若干个等宽脉冲(N)，t使这 N 个等宽脉冲面积等于这一区段正弦波面积。采用这种方法既可以提高开关频率，改善波形，又可以减少计算新脉冲的数量，节省计算机计算时间。如图 2-10 所示其正弦波面积为11图为 SPWM 面积等效法原理示意图假设所需的输出正弦电压为 U0=Umsint，式中：Um 为正弦波幅值。利用面积等效法正弦波小块面积 S1 与对应脉冲面积 S2 相等的原则，将正弦波的正半周分为 N 等分，则每一等分的宽度为兀N，计算出半个周期内 N 个不同的脉

14、宽值。相关公式如下：正弦波 S1 面积为：1 1sincoscoskmNmUkkUtdN 逆变器输入直流电压为 UD，脉冲面积 S2 与 S1 相等，即有：1coscosmkDkk所以第 k 个区间的脉冲宽度 k11coscoscoscosmkDUkMkkNN式中：M 为调制度。N 为半个周期内的脉冲个数。综合考虑载波比、输出谐波等因素，在此 N 取 60。由上式计算出的 SPWM 脉宽表是一个由窄到宽、再由宽到窄的 60 个值的正弦表，将其存入 STC 单片机的 ROM 中以供调用。5.基于 STC 系列单片机的 SPWM 波形实现由单片机实现 SPWM 控制，根据其软件化方法的不同，有如下

15、几种方法：自然采样法、对称规则法、不对称规则法和面积等效法等。理论分析发现面积等效法相对于其它方法而言，谐波较小，对谐波的抑制能力较强。而且实时控制简单，利于软件实现。因此本文采用面积等效法实现 SPWM 控制。STC 系列单片机生成 SPWM 波原理5.1.STC 系列单片机简介STCl2 系列单片机是美国 STC 公司在 8051 单片机标准的内核基础上改进推12出的一个增强型功能的 8051 的单片机，从引脚到指令上完全与 8051 单片机兼容。最突出的特点就是其具有可编程计数器阵列 PCA。以 STCl2C5608AD 为例，有四路可编程计数器阵列 PCAPWM。PCA 含有一个特殊的

16、 16 位定时器，有 4个 16 位的捕获比较模块与之相连。四个模块的公共时间基准由 PCA 定时器决定，可以通过 PCA 模式寄存器 CMOD SFR 的 CPSl 和 CPS0 位确定。每个模块可编程工作在 4 种模式下：上升下降沿捕获、软件定时器、高速输出或 PWM 脉冲输出。文中 SPWM 生成功能主要靠 PWM 脉冲输出模式完成。图 2 即为 PCA 模块脉宽调节 PWM 输出模式框图。在 PCA PWM 输出模式中，当 CLSFR 的值小于EPCnL，CCAPnL时，输出为低，当 PCA CL SFR 的值等于或大于EPCnH，CCAPnH时，输出为高。当 CL 的值由FF 变为

17、00 溢出时，EPCnH，CCAPnH的内容装载到EPCnL，CCAPnL中。这样就实现了无干扰的更新 PWM。要使能 PWM 模式，模块 CCAPMn 寄存器的 PWMn 和ECOMn 位必须置位。本文中，SPWM 波形是综合使用了模块 O 的脉宽调节(PWM)模式和模块 1 的 16 位软件定时器模式，通过软件中断的形式实现的。与此同时，STCl2C54lO 单片机还具有快速 AD 转换功能。有一个 lO 位精度、8 路通道的 AD 转换器。可以方便的对输入、输出的电压、电流进行监控和显示。5.2.SPWM 波生成方法利用 STC 系列单片机产生 SPWM 波的基本原理是：将载波周期数值赋

18、给 PCA模块 l 的 16 位捕获比较模块寄存器 CCAPlH(高 8 位)和 CCAPlL(低 8 位)，PCA定时器的值 CH(高八位)、CL(低八位)与模块捕获寄存器的值相比较，当两者相等时，产生 PCA 中断。在中断中，调用模块 0 的 PWM 脉宽调节模式，将下一个SPWM 波的脉宽通过 CCAP0H 装载到 CCAPOL 中，这样就可以实现无干扰的更新PWM。13上图中即为由软件实时计算好的一路单极性 SPWM 波形的脉宽示意图。在每个固定的载波周期内，不同脉宽数值组成一个正弦表格的形式。若选用模块O(P37)输出此路 SPWM，首先将模块 0 的 PCA 模块工作模式寄存器定义

19、为 8 位PWM 模式，将 16 位计数器定时器 CH、CL 清零，PCA PWM 模式辅助寄存器 O 清零(保证捕获寄存器 EPCOH(高八位)、EPC0L(低八位)固定为零，PWM 波比较的数值只与 PCA 模块 0 的捕获寄存器 CCAPOH(高八位)、CC2APOL(低八位)有关)，模块l 的捕获寄存器 CCAPlH(高八位)、CCAPlL(低八位)送入载波周期的高八位和第八位数值，PCA 比较捕获模块寄存器 1(CCAPMl)定义为使能比较功能，允许匹配产生中断。将第一个脉宽值 sin0装入 CCAP0H，开 PCA 模块中断及低压检测中断，开总中断，启动 PCA 计数。当 16 位

20、计数器定时器的数值与模块 1 中捕获比较寄存器的数值相等时，产生一个 CCF 中断；在中断程序中，清中断标志位，重新给模块 1 的捕获寄存器 CCAPlH(高八位)、CCAPlL(低八位)送入载波周期的高八位和第八位数值，将 16 位计数器定时器 CH、CL 清零，中断次数 i加 1，将下一个脉宽数值 sini装入 CCAPOH 以备比较。同时判断是否到达最大数值 N，若是，中断次数 i 清零，同时将脉宽数 sini值送入 CCAP0H，完成一个循环。这样，周而复始，在 P37 引脚上将不断产生随着正弦规律变化的脉宽，从而得到准确的 SPWM 波。5.3.软件设计程序编写采用 KeilC51

21、编程语言进行，整个程序由主程序和键盘中断子程序以及 PCA 中断子程序组成。主程序在系统初始化后进入 SPwM 脉宽计算程序，计算相应的脉冲宽度，形成正弦表格，等待中断标志位以响应不同的中断。由于 SPWM 波是不断输出的，必须将 PCA 中断级别设置为最高。一旦有 PCA 中断标志位，即转入执行其中断子程序。图 4 为 PCA 中断子程序流程图。在中断服务程序中，注意 CCF1 位和 CF 标志位均由硬件置位，但不能自动清零，必须在中断程序中由软件清零。14与此同时，系统可以响应键盘中断子程序，由键盘控制通过液晶显示屏监控输出电压、电流的变化情况等。四、实验总结通过这两个星期的学习，发现了自

22、己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，把理论应用到实际物体上的能力还很不足， 课程设计开始的时候我们都不知道敢怎么做，从哪里下手，对于理论知识学习不够扎实的我们深感可用的东西太少了，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，终于熟练掌握了基本理论知识，再在大家的讨论下终于把设计定下来。过了几个星期的时间，课程设计基本告成，才切身领悟理论和事件是分不开的。课本上很简单的东西在实际运用中可能就会成为一个比较困难的拦路虎，15尽管课程设计是在本学期开始，我们的教材学习完毕，掌握许多知识，但是还有很多地方理解领悟不到位，由于 SPWM 控制信号的产生比较复杂，我们

23、查阅很多资料，尝试过用不同方法设计产生，这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在努力下终于迎刃而解。同时发现了还有很多工具及理论以后亟待学习。它培养了我们严谨科学的思维，通过它架起理论与实践桥梁。五、心得体会通过这次的课程设计，我也深刻的体会到。好好学习对我们以后做东西重要性，本来很简单的一件事，当我们理解不到位的情况下就会变成一件不小的困难，在这次课程设计里我主要是协助电路的设计和模拟电路的设计，在我们大家共同的努力下我们完成了这次课程设计。在模拟电路时遇到了一些问题，比如信号不能放大，不能逆变成功，在我们多次实验下我们克服了这些困难，模拟出来了电路图。参 考 文 献 ：【

24、1】电力电子技术王兆安 黄俊 西安 机械工业出版社【2】Protel2004神龙工作室 北京人民邮电出版社【3】 Protel DXP 电路设计制版入门与提高 雪茗斋电脑教育研究室 人民邮电出版社【4】 Altium Designer6 电路图设计百例 姜艳波 化学工业出版社【5】 电路设计与制板 Protel DXP 典型实例 老虎工作室 倪泽峰 江中华 人民邮电出版社【6】田健，郭会军，王华民，等大功率IGBT瞬态保护研究 附 录 ：1.程 序16#include #include sbit P10=P10;sbit P11=P11;sbit P12=P12;sbit P32=P32; /

25、外中断 0sbit P35=P35; /PCA 模块 1 输出口sbit P37=P37; /PCA 模块 0 输出口int i,j,k=1,a=0;bit zf=0; /前后半周期标志unsigned int xdata zkb60=252,244,236,229,221,213,206,198,191,184,177,171,164,158,152,147,141,136,132,127,123,120,117,114,111,109,108,106,106,105,105,106,106,108,109,111,114,117,120,123,127,132,126,141,147,15

26、2,158,164,171,177,184,191,198,206,213,221,229,236,244,252; /占空比数组void int0_routine(void) interrupt 0 /键盘扫描中断，更改频率for(i=0;i50;i+) /延时扫描键盘for(j=i;j50;j+);if(P32=0)TR0=0; /关闭 T0,停止计时k+; /频率标记if(k=4)k=1;switch(k)case 1:TL0=178;TH0=178;P12=1;P10=0;break; / 10hzcase 2:TL0=240;TH0=240;P10=1;P11=0;break; /

27、50hzcase 3:TL0=248;TH0=248;P11=1;P12=0;break; / 100hzTR0=1;void pca_lvd_routine(void) interrupt 6 /17 CF=0; /清 PCA 中断标志a+; /记录中断次数if(a=60) /半周期转换，每半周期分为 60 份CR=0; /关 PCA 计数a=0;zf=zf; /半周期标志，zf=0，前半周期，zf=1，后半周期 if(zf) /设置后半周期 P35=0; P37=0; /四管都截止，P37 始终为 0/CEX0=0; / 等效 P37=0;CCAPM0=0X00; /关闭模块 0CCAPM

28、1=0X42; /设置模块 1 工作方式else /设置前半周期 P37=0; P35=0; /四管都截止，P35 始终为 0/CEX1=0; /等效 P35=0;CCAPM1=0X00; /关闭模块 1CCAPM0=0X42; /设置模块 0 工作方式 CR=1; /开 PCA 计数if(zf=0) /将下一小格的占空比赋给相应值CCAP0H=zkba+1;else CCAP1H=zkba+1;if(a=59) /将下半周期第一小格的占空比赋给相应值CCAP0H=zkb0;CCAP1H=zkb0;18void main(void) IE=0X01; /允许 INT0 中断TCON=0X01;

29、 /INT0 设为低电平触发AUXR=0XC0; /1T 方式TMOD=0X02; /设置 T0 工作方式及初始值TH0=0X178; /默认为 10hzTL0=0X178;CMOD=0X05; /pca 工作方式CL=0X00;CH=0X00;CCAPM0=0X42; /设置模块 0 工作方式CCAP0L=zkb0; /初始占空比CCAP0H=zkb1;CCAP1L=zkb0;CCAP1H=zkb1;PCA_PWM0 = 0x00; /最后两位分别与 CCAP0L 和 CCAP0H 组成 9 位二进制数PCA_PWM1 = 0x00; /最后两位分别与 CCAP1L 和 CCAP1H 组成

30、9 位二进制数CEX1=0; /等效 P35=0，模块 1 输出口EPCA_LVD=1; /PCA 中断和 LVD（低压检测）中断共享的总中断控制位EA=1; /开总中断CR=1; /启动 pca 计数 TR0=1; /启动计时器P10=0; /指示现在为 10hzwhile(1) ;19附件二、模拟仿真1、模拟仿真电路图 412、模拟控制电路3、模拟仿真所得波形交流电信号20信号波载波信号21IGBT1 和 IGBT4 脉冲信号IGBT2 和 IGBT4 脉冲信号22在输出端所得到的波形f=30HZ 时输出的波形f=50HZ 时输出的信号附件三、电路图232.电 路 原 理 图1234A B

31、 C D4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:7-Nov-2010Sheetof File:C:Documents andSettingsAdministrator为为为为为为为为为为-为为PWM为为为为为为为99se0830702.DDBDrawnBy:12P1Header 2GNDR13012C14.7uFC220uFL11mHGND G1G2G1 G21 2 P2Header 2RST1RxD2TxD3XTAL24XTAL15INT06INT17T08PCA19GND10VCC20PCA011P1.012P1.113P1.214P1.315P1.41

32、6P1.517P1.618P1.719U1STC12C5410AD12 Y112MC330pFC4 30pF123 P37805C91uFC80.33uF+12VC50.1uFC610uF+12VVCCVCCC74.7uFR24.7KVCCS1SW-PBTxDRxDS2SW-PBR31KR41KR51KR61KDS1LED1DS2LED2DS3LED3DS4LED4VCCR71KR81KG1G2 Q1IRFB17N60KQ2IRFB17N60KQ3IRFB17N60KQ4IRFB17N60K12345 67891110J1D Connector 9C1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U2MAX232C1010uFVCCRxDTxDC110.1uFC120.1uFC130.1uFVCCC14 0.1uF12P4Header 2RxDTxDD11N4001D21N4001D31N4001D41N4001+12V