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1、三相逆變電源 摘要:本單相正弦波逆變電源的設(shè)計(jì),以±18v直流電源作為輸入,輸出為36v、50hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波交流電。該電源采用推挽升壓和全橋逆變兩級(jí)變換,在控制電路上,前級(jí)推挽升壓電路采用mc34063芯片控制,閉環(huán)反饋;逆變部分采用驅(qū)動(dòng)芯片ir2103進(jìn)行全橋逆變,采用arm完成spwm的調(diào)制,后級(jí)輸出采用電流互感器進(jìn)行采樣反饋,形成雙重反饋環(huán)節(jié),增加了電源的穩(wěn)定性;在保護(hù)上,具有輸出過載、短路保護(hù)、過流保護(hù)、空載保護(hù)等多重保護(hù)功能電路,增強(qiáng)了該電源的可靠性和安全性;輸出交流電壓通過全波精密整流成近似直流,再由stc89c52單片機(jī)的控制進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,最終將電壓值顯示到液晶128
2、64上,形成了良好的人機(jī)界面。該電源設(shè)計(jì)任務(wù)大部分完成了各項(xiàng)指標(biāo)。關(guān)鍵詞:?jiǎn)蜗嗾也孀?dc-dc dc-ac spwm 測(cè)量顯示引言 目前逆變電源應(yīng)用廣泛,但是電路復(fù)雜,價(jià)格比較昂貴,為此設(shè)計(jì)一款逆變電源。該電源主要應(yīng)用開關(guān)電源電路技術(shù)的有關(guān)知識(shí),涉及模擬集成電路、電源集成電路、直流穩(wěn)壓電路、開關(guān)穩(wěn)壓電路等原理,充分運(yùn)用spwm頻率脈沖寬度調(diào)制電路1和場(chǎng)效應(yīng)管2(n溝道增強(qiáng)型mosfet)的開關(guān)速度快、無二次擊穿、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)與二極管一起構(gòu)成的組合設(shè)計(jì)電路。該逆變電源可將電瓶的18v直流電轉(zhuǎn)換為220v/50hz的交流電,供數(shù)碼相機(jī)、cd機(jī)、md唱機(jī)、筆記本電腦、小型錄像機(jī)、電動(dòng)剃須刀
3、、手機(jī)等便攜式產(chǎn)品使用。因此具有相當(dāng)強(qiáng)的通用性。1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)要求(1) ±18v直流電源供電(2) 輸出36v / 1a三相交流電源(3) 帶負(fù)載能力:功率因數(shù)0.8 1感性負(fù)載(4) 測(cè)量并顯示:電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等,測(cè)量精度0.1%。1.2總體設(shè)計(jì)方案1.2.1設(shè)計(jì)思路 題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)三相逆變電源,輸出電壓波形為正弦波。設(shè)計(jì)中主電路采用電氣隔離、dc-dc-ac的技術(shù),控制部分采用spwm(正弦脈寬調(diào)制)技術(shù),利用對(duì)逆變?cè)娏osfet的驅(qū)動(dòng)脈沖控制,使輸出獲得交流正弦波的穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)框圖:2.方案論述2.1 dc-dc升壓電路設(shè)計(jì)
4、本次設(shè)計(jì)中,提供的直流源是正負(fù)18v,而逆變后輸出電壓的有效值要求是36v,所以必須把18v升壓到36v以上,才能滿足要求。 mc34063本身包含了dcdc變換器所需要的主要功能的單片控制電路且價(jià)格便宜。它由具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器,rs觸發(fā)器和大電流輸出開關(guān)電路等組成。該器件可用于升壓變換器、降壓變換器、反向器的控制核心,由它構(gòu)成的dcdc變換器僅用少量的外部元器件,易于實(shí)現(xiàn),所以本方案采用mc34063芯片來搭建升壓電路。 mc34063組成的降壓電路原理如下圖,當(dāng)芯片內(nèi)開關(guān)管(t1)導(dǎo)通時(shí),電源經(jīng)取樣電阻rsc、 電感l(wèi)1、mc34063的1腳和
5、2腳接地,此時(shí)電感l(wèi)1開始存儲(chǔ)能量,而由c0對(duì)負(fù)載提供能量。當(dāng)t1斷開時(shí),電源和電感同時(shí)給負(fù)載和電容co提供能量。電感在釋放能量期間,由于其兩端的電動(dòng)勢(shì)極性與電源極性相同,相當(dāng)于兩個(gè)電源串聯(lián),因而負(fù)載上得到的電壓高于電源電壓。開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的頻率稱為芯片的工作頻率。只要此頻率相對(duì)負(fù)載的時(shí)間常數(shù)足夠高,負(fù)載上便可獲得連續(xù)的直流電壓。 其中,輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為:uo=(1+r2/r1)*ui2.2逆變電源2.2.1基本構(gòu)成 本設(shè)計(jì)基于ir2103驅(qū)動(dòng)全橋來實(shí)現(xiàn)dc/ac逆變,所用元件少,且結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)便。ir2103芯片是ir公司專為驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管而設(shè)計(jì)的,是一種高電壓高速的功率mosfe
6、t和igbt驅(qū)動(dòng)器,尤其適用于驅(qū)動(dòng)高強(qiáng)度的放電hid燈,如高壓鈉燈和金鹵燈等。該逆變?cè)O(shè)計(jì)電路的方框圖如圖1。該電路由18v直流輸入、dc/dc升壓電路、spwm波驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路以及濾波電路組成。圖1 2.2.2電路工作原理 輸入12v直流電源電壓,經(jīng)然后經(jīng)過逆變得到交流電。在逆變電路中是用單片機(jī)產(chǎn)生spwm脈沖頻率波形,作為各開光管的驅(qū)動(dòng)。在每項(xiàng)中,在前半周期和后半周期,各開關(guān)管交替導(dǎo)通,使得負(fù)載電壓極性有變化,上述狀態(tài)如能不斷地反復(fù)交替進(jìn)行,則負(fù)載上的電壓為交變電壓。這就是由直流電變?yōu)榻涣鞯哪孀冞^程。三相逆變的電路結(jié)構(gòu)其工作過程與單相逆變橋相同,只要注意三相的相位之間互差三分之一周期就可
7、以了。逆變器的輸出波形是spwm方波,含有諧波成份,為了使輸出波形正弦化,必須采用輸出濾波器。輸出濾波器的任務(wù)是使單次諧波和總諧波含量降低到指標(biāo)允許的范圍,其結(jié)構(gòu)和容量取決于諧波含量的大小。電力電子器件高頻化頻率改善了三相逆變器的許多特性但是高頻化同時(shí)帶來了一系列其他的問題,比如過高的dvdt容易使感性負(fù)載的分布電容的作用不容忽視,從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性變差。如果在沒有任何濾波器的情況下,直接由spw,i電壓波驅(qū)動(dòng)負(fù)載,那么與載波成整數(shù)倍的諧波會(huì)進(jìn)入負(fù)載,從而對(duì)后級(jí)系統(tǒng)造成一些不良影響,嚴(yán)重甚至?xí)p壞后級(jí)的系統(tǒng)。如果在sp刪逆變器和負(fù)載之間加入低通濾波器,即通常的lc濾波器,則某些高次諧
8、波電壓將被抑制。進(jìn)行濾波處理,最后得到基波為主要部分,就可得出三相交流電。陷波濾波器由lc電路構(gòu)成,它實(shí)際上是一種帶阻濾波器,主要作用是防止開關(guān)頻率附近的諧波進(jìn)入負(fù)載,從而造成電流脈動(dòng)和控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以它的轉(zhuǎn)折頻率與載波頻率有密切的關(guān)系通常選擇與開關(guān)頻率一致。像這樣把陷波濾波器和低通濾波器串聯(lián),就會(huì)得到非常好的濾波效果。首先,陷波濾波器消除了開關(guān)頻率處諧波,接著低通濾波器進(jìn)一步濾除其它高次諧波。這樣一種濾波方式,同時(shí)可以降低低通濾波器轉(zhuǎn)折頻率過低要求和相應(yīng)地提高阻尼電阻。2.2.3場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管是一種適應(yīng)開關(guān)電源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。它是利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制其電流大小的
9、半導(dǎo)體器件3。其代表符號(hào)如圖5。這種器件不僅兼有開關(guān)速度快、無存儲(chǔ)時(shí)間、體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),而且還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),因此大大的擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍,特別是在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。mosfet開關(guān)較快而無存儲(chǔ)時(shí)間,故在較高工作頻率下開關(guān)損耗較小,另外所需的開關(guān)驅(qū)動(dòng)功率小,降低了電路的復(fù)雜性。本設(shè)計(jì)采用的是n溝道增強(qiáng)型mosfet。只有在正的漏極電源的作用下,在柵源之間加上正向電壓(柵極接正,源極接負(fù)),才能使該場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。當(dāng)>0時(shí)才有能有電流即漏極電流產(chǎn)生。即當(dāng)時(shí)mos管才導(dǎo)通。電路中主要運(yùn)用三極管的
10、導(dǎo)通截止的開關(guān)特性。2.3精密全波整流電路全波精密整流電路如圖 從左到右看電路圖,在第一個(gè)運(yùn)放ne5532的作用是一個(gè)比例運(yùn)算放大器,主要就是想把輸入的信號(hào)縮小成1/2倍,要求r6=2r7,r5=r6*r7/(r6+r7),輸出的uo=-r7*ui/r6。 圖中第二個(gè)運(yùn)放ne5532作用就是精密全波整流,要求r1=2r2=2r3,增益為1/2,輸入的正弦波,當(dāng)ui>0時(shí),波形沒有改變方向;當(dāng)ui<0時(shí),波形就把其往上翻,使其同正向波形方向一樣,從而得到精密的全波整流電路,最后全波整流得到的波形幅值為輸入的1/2。c1與c2構(gòu)成電容濾波電路。 2.4 spwm波
11、生成方案一:用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路,用比較器來確定它們的交點(diǎn),在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)功率開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,就可以生成spwm波形。但這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。方案二:微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成spwm波形變得比較容易,有自然采樣法,規(guī)則采樣法,低次諧波消去法,面積中心等效法等,微處理器可以用dsp,arm,msp430等有pwm模塊的mcu。由以上分析知,采用軟件生成法,既方案二比較容易實(shí)現(xiàn),而使用dsp成本較高,切手上又有一塊現(xiàn)成的arm7,所以本次設(shè)計(jì)選用了arm7系列的lpc2138來生成spwm波。spwm波的具體生成方法如下:pwm(pulse
12、 width modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù),即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,來等效地獲得所需要波形。spwm波形(sinusoidal pwm)就是脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm波形。產(chǎn)生spwm波的原理是:用一組等腰三角波與一個(gè)正弦波進(jìn)行比較,其相交的時(shí)刻(即交點(diǎn))作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時(shí)刻,這組等腰三角形波稱為載波,而正弦波稱為調(diào)制波,如圖1所示。正弦波的頻率和幅值是可控制的,改變正弦波的頻率,就可以改變電源輸出電壓的頻率,改變正弦波的幅值,也就改變了正弦波與載波的交點(diǎn),使輸出脈沖系列的寬度發(fā)生變化,從而改變電源輸出電壓的大小。而lpc21
13、38的pwm模塊有pwmmr0pwmmr6這7個(gè)匹配寄存器,可實(shí)現(xiàn)6個(gè)單邊沿控制或三個(gè)雙邊沿控制pwm輸出。三相逆變橋需要6路spwm波驅(qū)動(dòng),可由arm7產(chǎn)生3路,其余3路以及死區(qū)控制由驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。算法分析:通過實(shí)時(shí)計(jì)算生成電壓spwm需要數(shù)學(xué)模型,建立數(shù)學(xué)模型的方法有多種,比如諧波消去法、等面積法、采樣型spwm法以及它們派生出來的各種方法。本文介紹的生成spwm波采用的是對(duì)稱規(guī)則采樣法。對(duì)稱規(guī)則采樣法包括兩種,規(guī)則i法和規(guī)則法。規(guī)則i法為三角波頂點(diǎn)采樣法,規(guī)則法為底點(diǎn)采樣法。這里使用的是規(guī)則ii法,如圖: 在規(guī)則采樣法中,三角波每個(gè)周期的采樣時(shí)刻都是確定的,不作圖就可算出相應(yīng)時(shí)刻的正弦波
14、值。由幾何相似三角形關(guān)系可得脈寬計(jì)算公式: 間歇時(shí)間:式中m=u m/u s,即正弦波峰值與三角波峰值之比,m稱為調(diào)制度。n=fc/f即三角波頻率fc與正弦波頻率f之比,n稱為載波比。k為采樣帶點(diǎn)(k:0,1,2,3)。以上是生成單相spwm波的數(shù)學(xué)模型,要生成三相spwm波,必須使用三條正弦波和同一條三角波求交點(diǎn),三相正弦波依次相差120。,所以在采樣時(shí)三相的脈寬分別是:3.adc0809的控制程序的設(shè)計(jì) adc0809是m美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的cmos工藝8通道,8位逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān),它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào),只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行a
15、/d轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用a/d芯片。 adc0809的工作過程:首先輸入3位地址,并使ale=1,將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。start上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) ad轉(zhuǎn)換,之后eoc輸出信號(hào)變低,指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到ad轉(zhuǎn)換完成,eoc變?yōu)楦唠娖?,指示ad轉(zhuǎn)換結(jié)束,結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器,這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)oe輸入高電平 時(shí),輸出三態(tài)門打開,轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 a/d轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)a/d轉(zhuǎn)換的完成,因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后,才能進(jìn)行傳送
16、。adc0832的接線圖比較簡(jiǎn)單,將d0d7接單片機(jī)的p1口,clk接外部時(shí)st=p3.4,eoc=p3.5,oep接p3.6。通道選擇c=p2.0,b=p3.7,a=p2.7。int0和int1分別為電壓測(cè)量輸入通道0和電流測(cè)量輸入通道1。4.液晶顯示驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì) 開發(fā)仿真軟件使用keil uvision3,c語言編程。采用yjd12864c1(漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊),可顯示漢字及圖形,內(nèi)置8192個(gè)中文漢字(16x16點(diǎn)陣)、128個(gè)字符(8x16點(diǎn)陣)及64x256點(diǎn)陣顯示ram(gdram),顯示內(nèi)容為128列×64行。該模塊有并行和串行兩種連接方法,在本設(shè)計(jì)中采用并行連接
17、方法。該部分利用stc89c52單片機(jī)來控制液晶顯示,顯示輸出電壓。5.附錄5.1 mc34063的引腳圖如下: 5.2 lc濾波電路電路如圖3所示圖3 lc濾波電路5.3 逆變電源總電路電路圖如圖2所示5.4 adc0809引腳圖如下:adc0832工作時(shí)序圖如圖所示5.5 pwm波程序流程圖:主函數(shù)流程圖 匹配中斷函數(shù)流程圖5.6程序流程圖如圖所示。5.7程序清單(一)spwm波程序#include "config.h"#include "math.h"#define pi 3.1415926#define n 200int i=0;float te
18、mp,temp1,temp2;int mr1n,mr3n,mr5n;void _irq pwmcaculate(void) pwmmr1=mr1i; pwmmr3=mr3i; pwmmr5=mr5i; i+; if(i>=n) i=0; pwmler=0x7f; vicvectaddr=0x00; void pwm_init(void) pinsel0=(2<<2)|(2<<0); pinsel1=(1<<10); pwmtcr=0x02; pwmpr=0x00; pwmmcr=0x03; pwmpcr=(0<<0)| (0<<
19、3)| (0<<5)| (1<<9)| (1<<11)| (1<<13); pwmmr0=fpclk/12000; pwmler=0x7f; pwmtcr=0x09; rqenable(); vicintselect=0x00; vicvectcntl0=0x20|8; vicvectaddr0=(uint32)pwmcaculate; vicintenable=1<<8;void init_vpb_pll(void) /fosc = 11.0592mhz /fcclk = 11.0592*6 = 66.3552mhz /fcco =
20、 66.3552*2*p =265.4208mhz /fpclk =16.5888mhz / 配置vpb分頻器相關(guān)寄存器 vpbdiv = 0x00; / fcclk * 1/4 /配置pll鎖相環(huán)相關(guān)寄存器 pllcon = 0x01; / plle=1 pll使能 但pll未連接 pllcfg = 0x26; / 0 01 00111 分頻器值(p=2) 倍增器值(m=7) pllfeed = 0xaa;/ 0xaa 和0x55,為固定數(shù)據(jù),寫入以后。配置才會(huì)生效。 pllfeed = 0x55; while(pllstat&(1<<10)=0); pllcon = 0
21、x03; /plle=1 pllc=1 pll使能并連接 pllfeed = 0xaa; pllfeed = 0x55; int main() int k=0; init_vpb_pll();pwmmr0=fpclk/12000; while(k<n) emp=0.5*(1+0.97*sin(k*2*pi/n); temp1=0.5*(1+0.97*sin(k*2*pi/n+2*pi/3); temp2=0.5*(1+0.97*sin(k*2*pi/n-2*pi/3); mr1k=(uint32)(pwmmr0*temp); mr3k=(uint32)(pwmmr0*temp1); mr
22、5k=(uint32)(pwmmr0*temp2); k=k+1; pwm_init(); while(1); return 0; /* end of file*/(二)系統(tǒng)測(cè)量程序#include<reg52.h>#include<intrins.h>#include<math.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit key1=p30; /定義按鍵位置sbit key2=p31;sbit key3=p32;sbit adc0809_st=p34; /定義采樣控制口sbit adc
23、0809_eoc=p35;sbit adc0809_oe=p36;sbit c=p20; /定義采樣通道定義sbit b1=p37;sbit a=p27; sbit rs=p24; /定義lcd顯示控制口sbit rw=p25;sbit e=p26;long int k,z=100,counter1=0;long int sum1=0,sum2=0; /定義采樣求和float counter2=0,tmp=0;float u1=0,i1=0,w=0,w1=0,w2=0;/定義三相電壓電流功率頻率 void delayms(uint z) /延時(shí) z msuint i; uchar j; for
24、(i=z;i>0;i-) for(j=110;j>0;j-);void delay(uint i) /延時(shí)while(i-);void zhiling(uchar a) /lcd12864寫命令 e=0;rs=0;rw=0; e=1; p0=a; delayms(2); /延時(shí) 5ms e=0; delayms(2); /延時(shí) 5ms void shuju(uchar b) /lcd12864寫數(shù)據(jù)e=0;rs=1;rw=0; e=1; p0=b; delayms(2); /延時(shí) 5ms e=0; delayms(2); /延時(shí) 5ms void lcd_init() /lcd12
25、864初始化zhiling(0x01); /清屏 zhiling(0x30); /功能設(shè)置 zhiling(0x0e); /開/關(guān)顯示設(shè)置 zhiling(0x06); /輸入方式設(shè)置 zhiling(0x14); /光標(biāo)右移void writestring( char *str)/lcd12864寫字符 int i=0; while(stri!='0') shuju(stri+); void writedata(long int d)/lcd12864寫數(shù)字 uint shi,ge,shifen,baifen,qianfen;shi=(uint)(d/10000);ge=(u
26、int)(d%10000/1000);shifen=(uint)(d%1000/100);baifen=(uint)(d%100/10);qianfen=(uint)(d%10);if(shi)shuju(shi+'0'); shuju(ge+'0'); writestring("."); shuju(shifen+'0');shuju(baifen+'0');shuju(qianfen+'0'); void writedata1(float d)/寫頻率數(shù)字 uint qian,bai,shi
27、,ge,shifen,baifen,qianfen;qian=(uint)d/1000;bai=(uint)(d/100)%10;shi=(uint)(d/10)%10;ge=(uint)d%10;shifen=(uint)(d-(uint)d)*10)%10;baifen=(uint)(d-(uint)d)*100)%10;qianfen=(uint)(d-(uint)d)*1000)%10;if(qian)shuju(qian+'0');if(qian|bai)shuju(bai+'0');if(qian|bai|shi)shuju(shi+'0
28、39;);shuju(ge+'0');writestring(".");shuju(shifen+'0');shuju(baifen+'0');shuju(qianfen+'0');void dianyaxianshi() zhiling(0x80); writestring("電壓測(cè)量"); zhiling(0x90); writestring("1 相u=");writedata(u1); zhiling(0x97);writestring("v"
29、); zhiling(0x88); writestring("2 相u= ");/writedata(u1); zhiling(0x8f);writestring("v"); zhiling(0x98); writestring("3 相u=");/writedata(u1); zhiling(0x9f);writestring("v"); void dianliuxianshi() zhiling(0x80); writestring("電流測(cè)量"); zhiling(0x90); write
30、string("1 相i=");writedata(i1); zhiling(0x97);writestring("a"); zhiling(0x88); writestring("2 相i=");/writedata(i1); zhiling(0x8f);writestring("a"); zhiling(0x98); writestring("3 相i=");/writedata(i1); zhiling(0x9f);writestring("a"); void gong
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