單相正弦波逆變電源

1、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)課題：?jiǎn)蜗嗾也孀冸娫?設(shè)計(jì)成員： 指導(dǎo)老師： 組 別： 8目錄摘要 .21. 方案論證 .21.1. 方案一.21.2. 方案二.21.3. 最終方案.32. 硬件設(shè)計(jì).32.1. DC-DC升壓模塊.42.2. MOS逆變模塊.42.3. MOS驅(qū)動(dòng)模塊.52.4. 系統(tǒng)檢測(cè)模塊.62.5. 系統(tǒng)保護(hù)模塊.72.6. 系統(tǒng)控制模塊.82.7. 顯示模塊.82.8. 系統(tǒng)溫度檢測(cè)模塊.93. 軟件設(shè)計(jì).103.1. 系統(tǒng)軟件流程圖.103.2. SPWM產(chǎn)生原理.114. 結(jié)語(yǔ).12【摘要】本次單相正弦波逆變電源是一種以STM32為核心的逆變電源系統(tǒng)。系統(tǒng)逆變部分的S

2、PWM控制脈沖波形完全由STM32生成,使用IR2110實(shí)現(xiàn)對(duì)功率管的驅(qū)動(dòng)和保護(hù),頻率及電壓可由LCD顯示。系統(tǒng)具有良好過(guò)流保護(hù)功能，以控制系統(tǒng)工作狀態(tài)。系統(tǒng)采用低功耗高效率設(shè)計(jì)，最大限度提高系統(tǒng)效率。本設(shè)計(jì)達(dá)到了最高設(shè)計(jì)要求，逆變電源輸出波形失真小，動(dòng)態(tài)特性好，可靠性高。關(guān)鍵字：逆變 正弦波 電源 STM32 SPWM 1. 方案論證方案一本方案由單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波，通過(guò)全橋逆變電路直接實(shí)現(xiàn)DC-AC的轉(zhuǎn)換，然后利用升壓式高頻變壓器對(duì)逆變出的交流電進(jìn)行升壓，最后經(jīng)過(guò)低通濾波電路把升壓后的交流電整成正弦波，本系統(tǒng)兼有電壓電流和頻率檢測(cè)功能，可通過(guò)閉環(huán)反饋來(lái)改變SPWM波的占空比和頻率，以達(dá)到

3、調(diào)壓調(diào)頻的目的。 此方案比較簡(jiǎn)單，但它確存在著不避免的缺陷，第一點(diǎn)就是高頻變壓器只適合傳送高頻載波信號(hào)，而對(duì)SPWM波中的低頻基波信號(hào)將產(chǎn)生嚴(yán)重性的衰減，最后我們不能通過(guò)低通濾波得到較為理想的正弦波；第二，本系本主要通過(guò)高頻變壓器來(lái)升壓，所以我們很難對(duì)最后的輸出電壓作出較準(zhǔn)確的控制。于是我們提出了第二種方案。方案二本方案分前級(jí)DC-DC模塊和后級(jí)DC-AC逆變模塊，前級(jí)采用升壓式拓樸結(jié)構(gòu)構(gòu)成輸出電壓可調(diào)的DC-DC模塊，該模塊主要為后級(jí)變換提供合適的電壓，結(jié)合整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)控制該模塊的輸出電壓就能夠達(dá)到準(zhǔn)確控制AC輸出電壓的目的，這樣就很好的避免了傳統(tǒng)的通過(guò)改變SPWM波占空比來(lái)調(diào)壓時(shí)造成輸出

4、正弦波畸變這一缺陷，為了得到穩(wěn)定的正弦波，對(duì)正弦波的校正控制要求是一個(gè)慢調(diào)節(jié)過(guò)程，所以這種通過(guò)改變前級(jí)電壓來(lái)控制后級(jí)輸出的方式在精度上完全滿(mǎn)足要求。后級(jí)DC-AC的變換是利用專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)橋式逆變電路，用于驅(qū)動(dòng)的SPWM信號(hào)由STM32產(chǎn)生。橋式逆變輸出部分再經(jīng)過(guò)低通濾波就可得到理想的正弦波。所以該系統(tǒng)較為靈活，當(dāng)然這會(huì)在硬件和軟件上都對(duì)我們提出一種挑戰(zhàn)。本系統(tǒng)液晶顯示的友好人機(jī)界面及控制等功能。通過(guò)上述的方案比較，本設(shè)計(jì)采用方案二。1.1. 方案整體框圖逆變器AC 26VDC 24VMOS逆變DCDC升壓MOS驅(qū)動(dòng)STM32SPWMPWM輸出電壓、電流、頻率檢測(cè)輸入電壓、電流檢測(cè)AD保

5、護(hù)模塊溫度檢測(cè)顯示模塊控制模塊報(bào)警模塊2. 硬件設(shè)計(jì)2.1. DC-DC升壓模塊 本設(shè)計(jì)為24V DC輸入,輸出26V AC,由于本設(shè)計(jì)對(duì)升壓的范圍要求并不算高,因此選用非隔離式的Boost升壓結(jié)構(gòu),該升壓方式,電源利用效率高,且升壓簡(jiǎn)單易控。下圖為其模塊電路圖：該模塊利用單片機(jī)產(chǎn)生pwm控制信號(hào)，根據(jù)輸出電壓的反饋信號(hào)對(duì)pwm占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。2.2. MOS逆變模塊 逆變部分采用全橋DC-AC變換器。全橋電路中的互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，而同一側(cè)的半橋的上下兩開(kāi)關(guān)管則是交替導(dǎo)通，將直流電壓變成成幅值為的交流電壓。且可以通過(guò)改變spwm的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的改變。電路如下圖

6、所示：2.3. MOS驅(qū)動(dòng)模塊 本系統(tǒng)用stm32單片機(jī)驅(qū)動(dòng)IR2110，為了提高驅(qū)動(dòng)的能力，在軟件上對(duì)spwm輸出口進(jìn)行復(fù)用推挽，以增加驅(qū)動(dòng)能力，電路如下圖所示：2.4. 系統(tǒng)檢測(cè)模塊 輸入電壓的檢測(cè)采用電阻分壓，經(jīng)過(guò)運(yùn)放隔離后送給stm32單片機(jī)的ad口進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，電路如圖所示：輸入電流的檢測(cè)采用一個(gè)0.1歐姆的康銅絲來(lái)檢測(cè)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放的放大，然后再到一級(jí)的運(yùn)放隔離，再送給stm32檢測(cè)，電路如下圖所示：交流檢測(cè)部分由于輸出為交流，所以輸出電流的檢測(cè)采用acs712芯片，該芯片的外圍電路簡(jiǎn)單，隔離性好，輸出為電壓，然后送給stm32的ad口進(jìn)行檢測(cè)，電路如下圖所示:2.5. 系統(tǒng)保護(hù)模塊系

7、統(tǒng)保護(hù)部分設(shè)立在系統(tǒng)輸入部分，經(jīng)過(guò)stm32對(duì)電流的檢測(cè)，然后判斷是否過(guò)流，然后對(duì)輸入進(jìn)行關(guān)斷。電路如下圖所示： 該部分設(shè)立了四個(gè)繼電器，采用光耦隔離。但由于實(shí)際需要，只用到其中的兩個(gè)繼電器。2.6. 系統(tǒng)控制模塊該圖為stm32的管腳連接圖：2.7. 顯示模塊采用12864液晶模塊，可以顯示更多的內(nèi)容。按鍵部分設(shè)立了5個(gè)鍵，及一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼開(kāi)關(guān)，對(duì)某些值的設(shè)定較為方便。2.8. 系統(tǒng)溫度檢測(cè)模塊采用18b20溫度探頭，將其安置在四個(gè)mos管的附近，對(duì)周?chē)臏囟葯z測(cè)。3. 軟件設(shè)計(jì)3.1. 軟件系統(tǒng)流程圖3.2. SPWM產(chǎn)生原理所謂SPWM，就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間

8、占空比按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流交流逆變器等，比如高級(jí)一些的UPS就是一個(gè)例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領(lǐng)域被廣泛的采用。 該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案。 1. 等面積法 該方案實(shí)際上就是SPWM法原理的直接闡釋?zhuān)猛瑯訑?shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中,通過(guò)查表的方式生成PWM信號(hào)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷,以達(dá)到預(yù)期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn),可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在計(jì)算繁瑣,數(shù)據(jù)占用

9、內(nèi)存大,不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn). 2. 硬件調(diào)制法 硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào),把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。 3. 軟件生成法 由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法：即自然采樣法和規(guī)則采樣法。本系統(tǒng)選擇等面積法。根據(jù)公式：占空比=(中值+幅值+Sin(2*PI*(i/點(diǎn)數(shù)) (0<=i<點(diǎn)數(shù))公式中的點(diǎn)數(shù)越大得到的正弦波頻率越小，反之越大。正弦波頻率計(jì)算公式2:F=PWM頻率/點(diǎn)數(shù)根據(jù)公式計(jì)算出的正弦波穩(wěn)定好看。STM32軟件控制算法，設(shè)置PWM頻率，根據(jù)正弦波頻率計(jì)算點(diǎn)數(shù)，設(shè)置PWM中斷，每個(gè)PWM周期中斷一次，進(jìn)入中斷中根據(jù)公式1生成的正弦波重新設(shè)置占空比。4. 結(jié)語(yǔ)本文詳細(xì)分析了一種正弦波輸出的逆變電源的設(shè)計(jì)，以及