单相逆变器的设计

目录第一章课程设计任务………………………………………………2第二章SPWM逆变器的工作原理……………………………………21.1工作原理………………………………………………31.2控制方式………………………………………………41.3单片机电源与程序下载模块……………………………71.4正弦脉宽调制的调制算法………………………...……81.5基于STC系列单片机的SPWM波形实现…………….11参考文献…………….….............…………………………..14致谢…...…..........………………………….............………..15附录：…………………….…………...............…………….175.1程序………………………….………………………175.2模拟电路图…………………………………………..195.3电路图……………………………………………..22单相桥式PWM逆变电路设计1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Abstract:Single-chipmicrocomputercontrolinvertercircuitstoinverterformaincomponents,andstablefrequencyoutputvoltageofpowerprotectionequipment.TheareaofequivalentofSPWMwave,andsinglechipmicrocomputerastheleadingfactor,waveandthesinewaveoutputtriangleagainbythetwowavearealiasedSPWMwaveoutputtocontroltheinvertercircuitsofthetrigger,makeitsdcprogrammingfrequencyvariableofthealternatingcurrent关键字：单片机逆变电源正弦波脉冲触发Keyword:CMinverterpowersupplypulsetriggeringsinewave单相桥式PWM逆变电路设计2第一章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12V，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第二章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，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(CarrierWave)。在SPWM中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单相桥式PWM逆变电路设计3通断，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VTl~VT6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CU是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波,,dadbdcUUU作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。主电路当rUU'/2UNduU时，给V4导通信号，给V1关断信号'/2UNduU给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。dU和'WNu的PWM波形只有±Ud/2两种电平。当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，'/2UNduU。UVu波形可由''UNVNuu得出，当1和6通时，UVu=dU，当3和4通时，UVu=－dU，当1单相桥式PWM逆变电路设计4和3或4和6通时，UVu=0。输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)dU、(±1/3)dU和0共5种电平组成。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rU的参考信号波rU与幅值为of,频率为of的三角波cU比较，产生功率开关信号。其原理波形如图2-6所示。图2-6是用单相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截，再通过倒相产生功率开关驱动信号。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=错误!未找到引用源。单相桥式PWM逆变电路设计5(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0~1变化时，脉宽由0~π/p变化，输出电压由0~E变化。如果每个脉冲宽度为θ，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θ，起始角为α的正脉冲来决定和对应的负脉冲起始角π+α来决定。如果第j个脉冲的起始角为αj则有(2-3a)(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)单相桥式PWM逆变电路设计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0~2π区间关于中心对称、在0~π区间关于轴对称，其傅里叶级数展开式为式（2-5）中单相桥式PWM逆变电路设计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123212,,,...,,pp的叠加。因此则输出电压为输出电压基波分量错误!未找到引用源。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单相桥式PWM逆变电路设计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。开关元件导通时间单相桥式PWM逆变电路设计9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、规则采样法、等面积法等。1.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所示单相桥式PWM逆变电路设计10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规则采样法原理图单相桥式PWM逆变电路设计113.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tH一定是6的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差120，要从一相正弦波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，tH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)，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=Umsinωt，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个不同的脉宽值。相关公式如下：正弦波S1面积为：11sin[coscos]kmNkmNUkkUtdtNN逆变器输入直流电压为UD，脉冲面积S2与S1相等，即有：1[coscos]mkDUkkUNN所以第k个区间的脉冲宽度δk单相桥式PWM逆变电路设计1211[coscos][coscos]mkDUkkMkkUNNNN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PC