單相橋式PWM逆變電路設(shè)計

1、指導(dǎo)教師評定成績： 審定成績： 重 慶 郵 電 大 學(xué)自 動 化 學(xué) 院綜合設(shè)計報告 設(shè)計題目：單相橋式PWM逆變電路設(shè)計單位（二級學(xué)院）： 自 動 化 學(xué) 院 學(xué) 生 姓 名： 梁 勇 專 業(yè)： 電氣工程與自動化 班 級： 0830702 學(xué) 號： 07350225 指 導(dǎo) 教 師： 羅 萍 設(shè)計時間：年 月重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院制目 錄一、課程設(shè)計任務(wù).2二、SPWM逆變器的工作原理 .21.工作原理32.控制方式43.單片機(jī)電源與程序下載模塊74.正弦脈寬調(diào)制的調(diào)制算法.85.基于STC系列單片機(jī)的SPWM波形實現(xiàn).11三、總結(jié).14四、心得體會.15五、附錄：.171.程序172.模擬

2、電路圖.193.電路圖.22摘要：單片機(jī)控制逆變電路，以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓、穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備。采用面積等效的SPWM波，又單片機(jī)為主導(dǎo)，輸出三角波和正弦波再由這兩個波相疊加輸出spwm波來控制逆變電路的觸發(fā)，使其把直流編程頻率可變的交流電關(guān)鍵字：單片機(jī) 逆變電源 正弦波 脈沖觸發(fā)單相橋式PWM逆變電路設(shè)計一、課程設(shè)計任務(wù)對單相橋式pwm逆變電路的主電路及控制電路進(jìn)行設(shè)計，參數(shù)要求如下：直流電壓為12 V，L=1mH，要求頻率可調(diào)，輸出為5V的正弦交流電。設(shè)計要求：1.理論設(shè)計：了解掌握單相橋式PWM逆變電路的工作原理，設(shè)計單相橋式PWM逆變電路的主電路和控制電路。包括：IGBT電流，

3、電壓額定的選擇驅(qū)動電路的設(shè)計畫出完整的主電路原理圖和控制原理圖列出主電路所用元器件的明細(xì)表二、SPWM逆變器的工作原理由于期望的逆變器輸出是一個正弦電壓波形，可以把一個正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合。這樣，由N個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形為正弦的半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來等效。 這一系列脈沖波形就是所期望的逆變器輸出SPWM波形。由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，逆變器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓。當(dāng)逆變器各開關(guān)器件都是在理想狀

4、態(tài)下工作時，驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)器件的信號也應(yīng)為與形狀相似的一系列脈沖波形，這是很容易推斷出來的。從理論上講，這一系列脈沖波形的寬度可以嚴(yán)格地用計算方法求得，作為控制逆變器中各開關(guān)器件通斷的依據(jù)。但較為實用的辦法是引用通信技術(shù)中的“調(diào)制”這一概念，以所期望的波形(在這里是正弦波)作為調(diào)制波(ModulationWave )，而受它調(diào)制的信號稱為載波(Carrier Wave )。在SPWM中常用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波是上下寬度線性對稱變化的波形，當(dāng)它與任何一個光滑的曲線相交時，在交點的時刻控制開關(guān)器件的通斷，即可得到一組等幅而脈沖寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這正是SPWM所需要的結(jié)果

5、。1.工作原理圖2-4是SPWM變頻器的主電路，圖中VTlVT6是逆變器的六個功率開關(guān)器件(在這里畫的是IGBT)，各由一個續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個逆變器由恒值直流電壓U供電。圖2-5是它的控制電路，一組三相對稱的正弦參考電壓信號由參考信號發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)。參考信號的幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，決定輸出電壓的大小。三角載波信號是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波 作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。主電路當(dāng)時，給V4導(dǎo)通信號，給V1關(guān)斷信號給V1(V4)加導(dǎo)通信號時，可能是V1(V4)導(dǎo)

6、通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。和的PWM波形只有Ud/2兩種電平。當(dāng)urUuc時，給V1導(dǎo)通信號，給V4關(guān)斷信號，。波形可由得出，當(dāng)1和6通時，=，當(dāng)3和4通時，=，當(dāng)1和3或4和6通時，=0。輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(2/3) 、(1/3) 和0共5種電平組成。防直通的死區(qū)時間同一相上下兩臂的驅(qū)動信號互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時間決定。死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波?？刂齐娐?.控制方式脈寬調(diào)制的控制方式從調(diào)制脈沖的極性上看，可分為單極性和雙極性之

7、分:參加調(diào)制的載波和參考信號的極性不變，稱為單極性調(diào)制;相反，三角載波信號和正弦波信號具有正負(fù)極性，則稱為雙極性調(diào)制。(1)單極性正弦脈寬調(diào)制單極性正弦脈寬調(diào)制用幅值為的參考信號波與幅值為,頻率為的三角波比較，產(chǎn)生功率開關(guān)信號。其原理波形如圖2-6所示。圖2-6是用單相正弦波全波整流電壓信號與單向三角形載波交截，再通過倒相產(chǎn)生功率開關(guān)驅(qū)動信號。參考波頻率fr決定了輸出頻率fo，每半周期的脈沖數(shù)P決定于載波頻率fc。即: P= (2-1) 用參考電壓信號的幅值Ur，與三角形載波信號的幅值Uc的比值，即調(diào)制度m = Ur/Uc，來控制輸出電壓變化。當(dāng)調(diào)制度由01變化時，脈寬由0/p變化，輸出電壓由

8、0 E變化。如果每個脈沖寬度為，則輸出電壓的傅里葉級數(shù)展開式為: （2-2)系數(shù)An和Bn由每個脈寬為，起始角為的正脈沖來決定和對應(yīng)的負(fù)脈沖起始角+來決定。如果第j個脈沖的起始角為j則有 (2-3a) (2-3b)由式(2-3a)、式(2-3b)可計算輸出電壓的傅里葉級數(shù)的系數(shù) (2-4a) (2-4b)單極性正選脈寬調(diào)制SPWM原理波形(2)雙極性正弦脈寬調(diào)制雙極性正弦脈寬調(diào)制原理波形如圖2-7所示。輸出電壓u0(t)波形在02區(qū)間關(guān)于中心對稱、在0區(qū)間關(guān)于軸對稱，其傅里葉級數(shù)展開式為 式（2-5）中輸出電壓u0（t）可看成是幅值為E，頻率為fo的方波與幅值為2E、頻率為fc的負(fù)脈沖序列(起

9、點和終點分別為的疊加。因此 則輸出電壓為 輸出電壓基波分量為 需要注意的是，從主回路上看，對于雙極性調(diào)制，由于同一橋臂上的兩個開關(guān)元件始終輪流交替通斷，因此容易引起電源短路，造成環(huán)流。為防止環(huán)流，就必須增設(shè)延時觸發(fā)環(huán)節(jié)，設(shè)置死區(qū)。3.單片機(jī)電源與程序下載模塊 程序下載模塊電源模塊MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電源供電。主要特點有:符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、只需要單一 +5V電源供電 ；片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V- ；功耗低，典型供電電流5mA ；內(nèi)部集成2個RS-232C

10、驅(qū)動器 ；內(nèi)部集成兩個RS-232C接收器。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。4. 正弦脈寬調(diào)制的調(diào)制算法 三角波變化一個周期，它與正弦波有兩個交點，控制逆變器中開關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷各一次。要準(zhǔn)確的生成SPWM波形，就要精確的計算出這兩個點的時間。開關(guān)元件導(dǎo)通時間是脈沖寬度，關(guān)斷時間是脈沖間隙。正弦波的頻率和幅值不同時，這些時間也不同，但對計算機(jī)來說，時

11、間由軟件實現(xiàn)，時間的控制由定時器完成，是很方便的，關(guān)鍵在于調(diào)制算法。調(diào)制算法主要有自然采樣法、規(guī)則采樣法、等面積法等。1.自然采樣法 按照SPWM控制的基本原理，在正弦波與三角波的交點進(jìn)行脈沖寬度和間隙的采樣，去生成SPWM波形，成為自然采樣法。如圖2-8所示圖2-8 自然采樣法原理圖2.規(guī)則采樣法為使采樣法的效果既接近自然采樣法，沒有過多的復(fù)雜運算，又提出了規(guī)則采樣法。其出發(fā)點是設(shè)法使SPWM波形的每個脈沖都與三角波中心線對稱。這樣，圖2-9中的法。計算就大大簡化了。圖2-9 規(guī)則采樣法原理圖3.雙極性正弦波等面積法正弦波等面積算法的基本原理為:將一個正弦波等分成H，個區(qū)段，區(qū)段數(shù)一定是6的

12、整數(shù)倍，因為三相正弦波，各項相位互差，要從一相正弦波方便地得到其他兩相，必須把一個周期分成6的整數(shù)倍。由圖2-10可見，越大，輸出波形越接近正弦波。在每一個區(qū)段，等分成若干個等寬脈沖(N)，使這N個等寬脈沖面積等于這一區(qū)段正弦波面積。采用這種方法既可以提高開關(guān)頻率，改善波形，又可以減少計算新脈沖的數(shù)量，節(jié)省計算機(jī)計算時間。如圖2-10所示其正弦波面積為圖為SPWM面積等效法原理示意圖假設(shè)所需的輸出正弦電壓為U0=Umsint，式中：Um為正弦波幅值。利用面積等效法正弦波小塊面積S1與對應(yīng)脈沖面積S2相等的原則，將正弦波的正半周分為N等分，則每一等分的寬度為兀N，計算出半個周期內(nèi)N個不同的脈寬值

13、。相關(guān)公式如下：正弦波S1面積為：逆變器輸入直流電壓為UD，脈沖面積S2與S1相等，即有：所以第k個區(qū)間的脈沖寬度k式中：M為調(diào)制度。N為半個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)。綜合考慮載波比、輸出諧波等因素，在此N取60。由上式計算出的SPWM脈寬表是一個由窄到寬、再由寬到窄的60個值的正弦表，將其存入STC單片機(jī)的ROM中以供調(diào)用。5.基于STC系列單片機(jī)的SPWM波形實現(xiàn)由單片機(jī)實現(xiàn)SPWM控制，根據(jù)其軟件化方法的不同，有如下幾種方法：自然采樣法、對稱規(guī)則法、不對稱規(guī)則法和面積等效法等。理論分析發(fā)現(xiàn)面積等效法相對于其它方法而言，諧波較小，對諧波的抑制能力較強(qiáng)。而且實時控制簡單，利于軟件實現(xiàn)。因此本文采用面

14、積等效法實現(xiàn)SPWM控制。STC系列單片機(jī)生成SPWM波原理5.1.STC系列單片機(jī)簡介STCl2系列單片機(jī)是美國STC公司在8051單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核基礎(chǔ)上改進(jìn)推出的一個增強(qiáng)型功能的8051的單片機(jī)，從引腳到指令上完全與8051單片機(jī)兼容。最突出的特點就是其具有可編程計數(shù)器陣列PCA。以STCl2C5608AD為例，有四路可編程計數(shù)器陣列PCAPWM。PCA含有一個特殊的16位定時器，有4個16位的捕獲比較模塊與之相連。四個模塊的公共時間基準(zhǔn)由PCA定時器決定，可以通過PCA模式寄存器CMOD SFR的CPSl和CPS0位確定。每個模塊可編程工作在4種模式下：上升下降沿捕獲、軟件定時器、高速輸

15、出或PWM脈沖輸出。文中SPWM生成功能主要靠PWM脈沖輸出模式完成。圖2即為PCA模塊脈寬調(diào)節(jié)PWM輸出模式框圖。在PCA PWM輸出模式中，當(dāng)CLSFR的值小于EPCnL，CCAPnL時，輸出為低，當(dāng)PCA CL SFR的值等于或大于EPCnH，CCAPnH時，輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時，EPCnH，CCAPnH的內(nèi)容裝載到EPCnL，CCAPnL中。這樣就實現(xiàn)了無干擾的更新PWM。要使能PWM模式，模塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位。本文中，SPWM波形是綜合使用了模塊O的脈寬調(diào)節(jié)(PWM)模式和模塊1的16位軟件定時器模式，通過軟件中斷的形式實現(xiàn)的。與

16、此同時，STCl2C54lO單片機(jī)還具有快速AD轉(zhuǎn)換功能。有一個lO位精度、8路通道的AD轉(zhuǎn)換器?？梢苑奖愕膶斎搿⑤敵龅碾妷?、電流進(jìn)行監(jiān)控和顯示。5.2.SPWM波生成方法利用STC系列單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波的基本原理是：將載波周期數(shù)值賦給PCA模塊l的16位捕獲比較模塊寄存器CCAPlH(高8位)和CCAPlL(低8位)，PCA定時器的值CH(高八位)、CL(低八位)與模塊捕獲寄存器的值相比較，當(dāng)兩者相等時，產(chǎn)生PCA中斷。在中斷中，調(diào)用模塊0的PWM脈寬調(diào)節(jié)模式，將下一個SPWM波的脈寬通過CCAP0H裝載到CCAPOL中，這樣就可以實現(xiàn)無干擾的更新PWM。上圖中即為由軟件實時計算好的一路

17、單極性SPWM波形的脈寬示意圖。在每個固定的載波周期內(nèi)，不同脈寬數(shù)值組成一個正弦表格的形式。若選用模塊O(P37)輸出此路SPWM，首先將模塊0的PCA模塊工作模式寄存器定義為8位PWM模式，將16位計數(shù)器定時器CH、CL清零，PCA PWM模式輔助寄存器O清零(保證捕獲寄存器EPCOH(高八位)、EPC0L(低八位)固定為零，PWM波比較的數(shù)值只與PCA模塊0的捕獲寄存器CCAPOH(高八位)、CC2APOL(低八位)有關(guān))，模塊l的捕獲寄存器CCAPlH(高八位)、CCAPlL(低八位)送入載波周期的高八位和第八位數(shù)值，PCA比較捕獲模塊寄存器1(CCAPMl)定義為使能比較功能，允許匹配

18、產(chǎn)生中斷。將第一個脈寬值sin0裝入CCAP0H，開PCA模塊中斷及低壓檢測中斷，開總中斷，啟動PCA計數(shù)。當(dāng)16位計數(shù)器定時器的數(shù)值與模塊1中捕獲比較寄存器的數(shù)值相等時，產(chǎn)生一個CCF中斷；在中斷程序中，清中斷標(biāo)志位，重新給模塊1的捕獲寄存器CCAPlH(高八位)、CCAPlL(低八位)送入載波周期的高八位和第八位數(shù)值，將16位計數(shù)器定時器CH、CL清零，中斷次數(shù)i加1，將下一個脈寬數(shù)值sini裝入CCAPOH以備比較。同時判斷是否到達(dá)最大數(shù)值N，若是，中斷次數(shù)i清零，同時將脈寬數(shù)sini值送入CCAP0H，完成一個循環(huán)。這樣，周而復(fù)始，在P37引腳上將不斷產(chǎn)生隨著正弦規(guī)律變化的脈寬，從而得

19、到準(zhǔn)確的SPWM波。5.3.軟件設(shè)計程序編寫采用KeilC51編程語言進(jìn)行，整個程序由主程序和鍵盤中斷子程序以及PCA中斷子程序組成。主程序在系統(tǒng)初始化后進(jìn)入SPwM脈寬計算程序，計算相應(yīng)的脈沖寬度，形成正弦表格，等待中斷標(biāo)志位以響應(yīng)不同的中斷。由于SPWM波是不斷輸出的，必須將PCA中斷級別設(shè)置為最高。一旦有PCA中斷標(biāo)志位，即轉(zhuǎn)入執(zhí)行其中斷子程序。圖4為PCA中斷子程序流程圖。在中斷服務(wù)程序中，注意CCF1位和CF標(biāo)志位均由硬件置位，但不能自動清零，必須在中斷程序中由軟件清零。與此同時，系統(tǒng)可以響應(yīng)鍵盤中斷子程序，由鍵盤控制通過液晶顯示屏監(jiān)控輸出電壓、電流的變化情況等。四、實驗總結(jié)通過這兩

20、個星期的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，看到了自己的實踐經(jīng)驗還是比較缺乏，把理論應(yīng)用到實際物體上的能力還很不足， 課程設(shè)計開始的時候我們都不知道敢怎么做，從哪里下手，對于理論知識學(xué)習(xí)不夠扎實的我們深感可用的東西太少了，便重拾教材與實驗手冊，對知識系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，終于熟練掌握了基本理論知識，再在大家的討論下終于把設(shè)計定下來。過了幾個星期的時間，課程設(shè)計基本告成，才切身領(lǐng)悟理論和事件是分不開的。課本上很簡單的東西在實際運用中可能就會成為一個比較困難的攔路虎，盡管課程設(shè)計是在本學(xué)期開始，我們的教材學(xué)習(xí)完畢，掌握許多知識，但是還有很多地方理解領(lǐng)悟不到位，由于SPWM控制信號的產(chǎn)生

21、比較復(fù)雜，我們查閱很多資料，嘗試過用不同方法設(shè)計產(chǎn)生，這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在努力下終于迎刃而解。同時發(fā)現(xiàn)了還有很多工具及理論以后亟待學(xué)習(xí)。它培養(yǎng)了我們嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的思維，通過它架起理論與實踐橋梁。五、心得體會通過這次的課程設(shè)計，我也深刻的體會到。好好學(xué)習(xí)對我們以后做東西重要性，本來很簡單的一件事，當(dāng)我們理解不到位的情況下就會變成一件不小的困難，在這次課程設(shè)計里我主要是協(xié)助電路的設(shè)計和模擬電路的設(shè)計，在我們大家共同的努力下我們完成了這次課程設(shè)計。在模擬電路時遇到了一些問題，比如信號不能放大，不能逆變成功，在我們多次實驗下我們克服了這些困難，模擬出來了電路圖。參考文

22、獻(xiàn)：【1】電力電子技術(shù)王兆安 黃俊 西安 機(jī)械工業(yè)出版社 【2】Protel2004神龍工作室 北京人民郵電出版社 【3】 Protel DXP 電路設(shè)計制版入門與提高 雪茗齋電腦教育研究室 人民郵電出版社 【4】 Altium Designer6 電路圖設(shè)計百例 姜艷波 化學(xué)工業(yè)出版社 【5】 電路設(shè)計與制板 Protel DXP 典型實例 老虎工作室 倪澤峰 江中華 人民郵電出版社 【6】田健，郭會軍，王華民，等大功率IGBT瞬態(tài)保護(hù)研究 附錄：1.程序#include #include sbit P10=P10;sbit P11=P11;sbit P12=P12;sbit P32=P32

23、; /外中斷0sbit P35=P35; /PCA模塊1輸出口sbit P37=P37; /PCA模塊0輸出口int i,j,k=1,a=0;bit zf=0; /前后半周期標(biāo)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

24、2,158,164,171,177, 184,191,198,206,213,221,229,236,244,252 ; /占空比數(shù)組void int0_routine(void) interrupt 0 /鍵盤掃描中斷，更改頻率 for(i=0;i50;i+) /延時掃描鍵盤 for(j=i;j50;j+); if(P32=0) TR0=0; /關(guān)閉T0,停止計時 k+; /頻率標(biāo)記 if(k=4)k=1; switch(k) case 1:TL0=178;TH0=178;P12=1;P10=0;break; / 10hz case 2:TL0=240;TH0=240;P10=1;P11=0

25、;break; /50hz case 3:TL0=248;TH0=248;P11=1;P12=0;break; /100hz TR0=1; void pca_lvd_routine(void) interrupt 6 / CF=0; /清PCA中斷標(biāo)志 a+; /記錄中斷次數(shù) if(a=60)/半周期轉(zhuǎn)換，每半周期分為60份 CR=0; /關(guān)PCA計數(shù) a=0; zf=zf; /半周期標(biāo)志，zf=0，前半周期，zf=1，后半周期 if(zf) /設(shè)置后半周期 P35=0;P37=0; /四管都截止，P37始終為0 /CEX0=0; / 等效P37=0; CCAPM0=0X00; /關(guān)閉模塊0 CCAPM1=0X42; /設(shè)置模塊1工作方式 else /設(shè)