單相正弦波逆變電源.doc

大學生電子設(shè)計競賽設(shè)計課題：單相正弦波逆變電源 設(shè)計成員：潘群鋒 蘇劍軍 郭善文 指導老師：蘇偉達 李汪彪 李宏華 張榮輝 組 別：S018 2012.09.08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.32.1. DC-DC升壓模塊.42.2. MOS逆變模塊.42.3. MOS驅(qū)動模塊.52.4. 系統(tǒng)檢測模塊.62.5. 系統(tǒng)保護模塊.72.6. 系統(tǒng)控制模塊.82.7. 顯示模塊.82.8. 系統(tǒng)溫度檢測模塊.93. 軟件設(shè)計.103.1. 系統(tǒng)軟件流程圖.103.2. SPWM產(chǎn)生原理.114. 結(jié)語.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SPWM控制脈沖波形完全由STM32生成,使用IR2110實現(xiàn)對功率管的驅(qū)動和保護,頻率及電壓可由LCD顯示。系統(tǒng)具有良好過流保護功能，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，最大限度提高系統(tǒng)效率。本設(shè)計達到了最高設(shè)計要求，逆變電源輸出波形失真小，動態(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產(chǎn)生SPWM波，通過全橋逆變電路直接實現(xiàn)DC-AC的轉(zhuǎn)換，然后利用升壓式高頻變壓器對逆變出的交流電進行升壓，最后經(jīng)過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功能，可通過閉環(huán)反饋來改變SPWM波的占空比和頻率，以達到調(diào)壓調(diào)頻的目的。 此方案比較簡單，但它確存在著不避免的缺陷，第一點就是高頻變壓器只適合傳送高頻載波信號，而對SPWM波中的低頻基波信號將產(chǎn)生嚴重性的衰減，最后我們不能通過低通濾波得到較為理想的正弦波；第二，本系本主要通過高頻變壓器來升壓，所以我們很難對最后的輸出電壓作出較準確的控制。于是我們提出了第二種方案。方案二本方案分前級DC-DC模塊和后級DC-AC逆變模塊，前級采用升壓式拓樸結(jié)構(gòu)構(gòu)成輸出電壓可調(diào)的DC-DC模塊，該模塊主要為后級變換提供合適的電壓，結(jié)合整個閉環(huán)系統(tǒng)來控制該模塊的輸出電壓就能夠達到準確控制AC輸出電壓的目的，這樣就很好的避免了傳統(tǒng)的通過改變SPWM波占空比來調(diào)壓時造成輸出正弦波畸變這一缺陷，為了得到穩(wěn)定的正弦波，對正弦波的校正控制要求是一個慢調(diào)節(jié)過程，所以這種通過改變前級電壓來控制后級輸出的方式在精度上完全滿足要求。后級DC-AC的變換是利用專門的驅(qū)動芯片來驅(qū)動橋式逆變電路，用于驅(qū)動的SPWM信號由STM32產(chǎn)生。橋式逆變輸出部分再經(jīng)過低通濾波就可得到理想的正弦波。所以該系統(tǒng)較為靈活，當然這會在硬件和軟件上都對我們提出一種挑戰(zhàn)。本系統(tǒng)液晶顯示的友好人機界面及控制等功能。通過上述的方案比較，本設(shè)計采用方案二。1.1. 方案整體框圖逆變器AC 26VDC 24VMOS逆變DCDC升壓MOS驅(qū)動STM32SPWMPWM輸出電壓、電流、頻率檢測輸入電壓、電流檢測AD保護模塊溫度檢測顯示模塊控制模塊報警模塊2. 硬件設(shè)計2.1. DC-DC升壓模塊 本設(shè)計為24V DC輸入,輸出26V AC,由于本設(shè)計對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,且升壓簡單易控。下圖為其模塊電路圖：該模塊利用單片機產(chǎn)生pwm控制信號，根據(jù)輸出電壓的反饋信號對pwm占空比進行調(diào)節(jié)以實現(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角的兩個開關(guān)管同時導通，而同一側(cè)的半橋的上下兩開關(guān)管則是交替導通，將直流電壓變成成幅值為的交流電壓。且可以通過改變spwm的占空比來實現(xiàn)輸出電壓的改變。電路如下圖所示：2.3. MOS驅(qū)動模塊 本系統(tǒng)用stm32單片機驅(qū)動IR2110，為了提高驅(qū)動的能力，在軟件上對spwm輸出口進行復用推挽，以增加驅(qū)動能力，電路如下圖所示：2.4. 系統(tǒng)檢測模塊 輸入電壓的檢測采用電阻分壓，經(jīng)過運放隔離后送給stm32單片機的ad口進行實時檢測，電路如圖所示：輸入電流的檢測采用一個0.1歐姆的康銅絲來檢測，經(jīng)過運放的放大，然后再到一級的運放隔離，再送給stm32檢測，電路如下圖所示：交流檢測部分由于輸出為交流，所以輸出電流的檢測采用acs712芯片，該芯片的外圍電路簡單，隔離性好，輸出為電壓，然后送給stm32的ad口進行檢測，電路如下圖所示:2.5. 系統(tǒng)保護模塊系統(tǒng)保護部分設(shè)立在系統(tǒng)輸入部分，經(jīng)過stm32對電流的檢測，然后判斷是否過流，然后對輸入進行關(guān)斷。電路如下圖所示： 該部分設(shè)立了四個繼電器，采用光耦隔離。但由于實際需要，只用到其中的兩個繼電器。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個鍵，及一個旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)，對某些值的設(shè)定較為方便。2.8. 系統(tǒng)溫度檢測模塊采用18b20溫度探頭，將其安置在四個mos管的附近，對周圍的溫度檢測。3. 軟件設(shè)計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，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當?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，比如高級一些的UPS就是一個例子。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。 該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案。 1. 等面積法 該方案實際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機中,通過查表的方式生成PWM信號控制開關(guān)器件的通斷,以達到預期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點,可以準確地計算出各開關(guān)器件的通斷時刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在計算繁瑣,數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大,不能實時控制的缺點. 2. 硬件調(diào)制法 硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號,把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。其實方法簡單，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，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對開關(guān)器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復雜，難以實現(xiàn)精確的控制。 3. 軟件生成法 由于微機技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應運而生。軟件生成法其實就是用軟件來實現(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/點數(shù)) (0=i點數(shù))公式中的點數(shù)越大得到的正弦波頻率越小，反之越大。正弦波頻率計算公式2:F=PWM頻率/點數(shù)根據(jù)公式計算出的正弦波穩(wěn)定好看。STM32軟件控制算法，設(shè)置PWM頻率，根據(jù)正弦波頻率計算點數(shù)，設(shè)置PWM中斷，每個PWM周期中斷一次，進入中斷中根據(jù)公式1生成的正弦波重新設(shè)置占空比。4. 結(jié)語本文詳細分析了一種正弦波輸出的逆變電源的設(shè)計，以及