單相車載逆變電源器設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目單相車載逆變電源的設(shè)計(jì)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化120311學(xué)號(hào)20122059姓名楊勇指導(dǎo)教師薛鵬二o六年六月八日本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)stc而設(shè)計(jì)的正弦波逆變電源。額定輸入電壓為12v的直流 電，輸出為50hz/220v的交流電。額定輸出功率為300wo設(shè)計(jì)了全方位的保護(hù)電路。 包含了可以根據(jù)溫度來(lái)控制散熱風(fēng)扇的開(kāi)啟。實(shí)現(xiàn)了輸入低壓、過(guò)壓的關(guān)斷功能。當(dāng) 輸入的電壓過(guò)低時(shí)，停止逆變，可以防止損壞蓄電池，當(dāng)輸入的電壓過(guò)高時(shí)，停止逆 變，可以防止損壞芯片。擁有輸入防反接功能，當(dāng)輸入正負(fù)極接錯(cuò)時(shí)，關(guān)斷輸入與后 級(jí)電路的連接，不會(huì)燒壞芯片或蓄電池。采用了一個(gè)液

2、晶屏來(lái)顯示輸出的電壓，輸出 頻率等信息。采用了兩個(gè)發(fā)光二極管來(lái)指示工作狀態(tài)。采用了一個(gè)蜂鳴器，當(dāng)產(chǎn)生錯(cuò) 誤時(shí)，發(fā)出蜂鳴報(bào)警。輸出的交流電為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而不是方波或修正波，可以實(shí) 現(xiàn)更寬范圍的帶負(fù)載能力。根據(jù)測(cè)試，轉(zhuǎn)換效率在85%以上，輸出穩(wěn)定，達(dá)到了良好 的實(shí)驗(yàn)效果。關(guān)鍵詞:單片機(jī)逆變電源正弦波反接保護(hù)desifijn of vehicle mounted inverterabstractthe design is based on stc microcontroller designed for pure sine wave inverter. rated input voltage of

3、 12v dc, output is 50hz, 220v ac. rated output power of 300w. designed a full range of protection circuits. can be included to control the temperature on the cooling fan. achieve a input voltage, overvoltage shutdown function. when the input voltage is too low, the inverter is stopped, to prevent da

4、mage to the battery, when the input voltage is too high, the inverter is stopped to prevent damage to the chip. has the input anti-reverse function when the input is negative then the wrong time, and after the shutdown input stage circuit connections will not burn chips or batteries- uses a liquid c

5、rystal screen to display the output voltage, output frequency and other information uses two light emitting diodes to indicate the operating status. uses a buzzer when an error occurs, the alarm beeps. the standard ac output sine wave, rather than a square wave or modified wave, a wider range can be

6、 achieved with a load capacity. according to the test, the conversion efficiency of more than 85%, stable output, to achieve a good experimental results.keywords: mcu inverter sine wave reverse polarity protection摘要iabstractii第一章緒論11論文選題背景11.2研究意義及目的21.3國(guó)內(nèi)外逆變技術(shù)現(xiàn)狀31.4目前存在的逆變方式以及逆變電路結(jié)構(gòu)41.5主要內(nèi)容6第二章工作原理

7、72逆變電路的基本工作原理72.1.1換流方式72.1.2全橋逆變電路92.2 spwm逆變器的工作原理102.2.1單雙極性spwm法112.2.2 spwm的控制方法122.3小結(jié)16第三章碩件設(shè)計(jì)173主控制器183.2 dc-dc模塊的設(shè)計(jì)183.2.1 pwm脈沖產(chǎn)生電路193.2.2變壓器的設(shè)計(jì)203.2.3輸出整流電路的設(shè)計(jì)213.3 dc-ac模塊的設(shè)計(jì)213.3.1 spwm波驅(qū)動(dòng)隔離的設(shè)計(jì)213.3.2開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)233.3.3 lc濾波電路設(shè)計(jì)233.4保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)24341溫度保護(hù)的設(shè)計(jì)243.4.2輸入保護(hù)的設(shè)計(jì)253.4.3輸出保護(hù)的設(shè)計(jì)263.5小結(jié)27第四章

8、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)284開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹284.2系統(tǒng)總流程圖304.3 spwm程序設(shè)計(jì)304.5增量型控制算法的實(shí)現(xiàn)354.6小結(jié)36第五章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析375實(shí)驗(yàn)結(jié)果375.2總結(jié)38致謝39參考文獻(xiàn)40附錄系統(tǒng)原理圖42第一章緒論1.1論文選題背景電源設(shè)備廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防設(shè)施及人民生活等各個(gè)方面，是 電子設(shè)備和機(jī)電設(shè)備的基礎(chǔ)，它與國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門相關(guān)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用得最 為廣泛。可以說(shuō)，凡是涉及電子和電工技術(shù)的一切領(lǐng)域都要用到電源設(shè)備，它不僅提 供優(yōu)質(zhì)電能，還對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響，例如由于超小型、高效率的高頻 開(kāi)關(guān)電源的出現(xiàn)，促進(jìn)了航空航天和艦船技術(shù)的發(fā)展；不間

9、斷電源（ups）的研制成功大 大提高了計(jì)算機(jī)、通信、導(dǎo)航、醫(yī)療等設(shè)備的可靠性；脈沖電源廣泛應(yīng)用于電焊、電 鍍等行業(yè)，節(jié)省了大量的電能和原材料。從而可以看出電源技術(shù)的研究對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的 發(fā)展具有重大意義小譏電源分為三大類：1）把其他能量轉(zhuǎn)換成電能，例如水力、火力、風(fēng)力及核能發(fā)電等，一般稱這種 電源為一次電源（即供電電源，俗稱電網(wǎng)或市電）。2）電能傳輸過(guò)程中，在供電電源和負(fù)載之間對(duì)電能進(jìn)行變換或穩(wěn)定處理，一般稱 這種電源為二次電源（即對(duì)己有的電源進(jìn)行控制）。3）平時(shí)把能量以某種形式儲(chǔ)存起來(lái)，使用時(shí)再變成電能供給負(fù)載，典型的器件就 是人們常見(jiàn)的各種蓄電池，一般稱此為化學(xué)電源。其中，二次電源起著很重要的

10、作用。二次電源，就是把輸入電源（由電網(wǎng)、蓄電池 或燃油發(fā)電機(jī)供電等）變換成在電壓、電流、頻率、波形及在穩(wěn)定性、可靠性（含電磁兼 容、絕緣散熱、不間斷供電）等方面符合要求的電能供給負(fù)載，這是目前應(yīng)用最廣泛的 電源技術(shù)領(lǐng)域，主要研究如何利用電子技術(shù)對(duì)電功率進(jìn)行變換及控制，它廣泛運(yùn)用電 磁技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和材料技術(shù)等學(xué)科理論，具有較強(qiáng)的綜合性。本課題 所做的電源即屬于此類。現(xiàn)如今隨著自行車的被淘汰，當(dāng)今汽車己經(jīng)成為人們主流的代步工具，許多先進(jìn) 的設(shè)備應(yīng)用到汽車上，伴隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)汽車電子產(chǎn)品的需求越來(lái)越多：除 了常見(jiàn)的車載dvd音響系統(tǒng)外，車載電視，車載冰箱，筆記本電腦等電器產(chǎn)品也

11、成為 人們的需求。目前常見(jiàn)的電器產(chǎn)品除了可用電池供電外，更多的需要220v/50hz的交 流電供電。為了將12v的蓄電池電壓轉(zhuǎn)換成220v/50hz的交流電以供常見(jiàn)電器產(chǎn)品用, 車載逆變電源已成為必不可少的車用能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。在國(guó)外汽車的數(shù)量較多，車載逆 變電源受到了普遍歡迎，將車載逆變電源與汽車點(diǎn)煙器或蓄電池連接后，就可以直接 給車載電器產(chǎn)品供電。車載逆變電源除了適用于車載系統(tǒng)外，存在12v直流電壓且要 求220v / 50hz交流電輸岀的場(chǎng)合均可以使用。當(dāng)今世界面對(duì)嚴(yán)重的能源緊缺問(wèn)題， 社會(huì)的發(fā)展需要充足的能源來(lái)維系。太陽(yáng)能、波浪能等可再生能源在本世紀(jì)得到開(kāi)發(fā) 利用，成為社會(huì)能源的重要組成部

12、分。為了利用太陽(yáng)能、波浪能等能源，直線發(fā)電機(jī) 擔(dān)任著機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的角色，然而直線發(fā)電機(jī)輸出交流電壓的諧波含量較大且浮動(dòng)范 圍較寬，必須經(jīng)過(guò)整流逆變裝置處理后才能并網(wǎng)或供其他用電設(shè)備使用，該系統(tǒng)中逆 變電源是必不可少的組成部分。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能光電池組、充電控制器、 蓄電池組和逆變電源組成，太陽(yáng)能電池陣列通過(guò)充電控制器給蓄電池充電，逆變電源 把直流電壓轉(zhuǎn)換成工頻交流電之后并網(wǎng)或供其他電器產(chǎn)品使用。這對(duì)汽車的車載電源是一個(gè)很大的考驗(yàn)。隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)一些 電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高，影響電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性的一個(gè)最大的外部因素就 是輸入的電源信號(hào)，如果電源信號(hào)不穩(wěn)定那么電子產(chǎn)

13、品基本就沒(méi)有什么穩(wěn)定性，這就 對(duì)車載移動(dòng)電源有了更高的耍求。當(dāng)今搭載柴油和汽油的汽車所配備的車載電源有相 當(dāng)一部分很落后，采用的基本上是七十年代八十年代以分立元件為基礎(chǔ)的模擬控制系 統(tǒng)，這樣的電源系統(tǒng)不僅有分立元件的溫度漂移，容易老化，適應(yīng)環(huán)境能力有限，而 且在維護(hù)方面工作量很大，電源系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力較差。這就要求我們研發(fā)一種新型高效 的逆變器。12研究意義及目的由于電子逆變技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種各樣的功率器件的不斷涌現(xiàn)，使得車載電源 逆變器越來(lái)越小型化，越來(lái)越高效率。電子產(chǎn)品隨處可見(jiàn)?，F(xiàn)在，汽車已經(jīng)不單單是 一個(gè)機(jī)動(dòng)車輛供人們出行使用方便，更加成為一個(gè)智能化的汽車宀7】。作為一款在汽車上使用的逆變

14、電源，我們從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮。一方面，從安 全性能考慮由于它是在汽車中由車主使用的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備，不僅關(guān)系到汽車和電子產(chǎn) 品的安全，還關(guān)系到人的牛命安全。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們要設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)電路， 從而確保該電源設(shè)備的高可靠性和安全性。另一方面，從空間角度考慮，由于汽車上 空間有限，逆變電源也通常存儲(chǔ)在一個(gè)很小的密閉容器中。因此在電源設(shè)計(jì)時(shí)，我們 需要減少電路的復(fù)雜性，從而確保該電源設(shè)備的小型化。車載逆變電源的研制不僅僅 可以解決汽車上電子產(chǎn)品的電源問(wèn)題，同時(shí)還可以在只要有12v直流電源的場(chǎng)合下使 用。比如說(shuō)，在光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)中，逆變電源可以將太陽(yáng)能電池板或蓄電池轉(zhuǎn)換為 供我們使用的能源，

15、從而減少能源污染等或者給用電困難的地區(qū)帶來(lái)極大的?；畹谋?利，而逆變電源作為其技術(shù)含量較高的關(guān)鍵部件，其研制可開(kāi)發(fā)是非常具有意義的。 在國(guó)外，由于家家戶戶基本上都有車，汽車覆蓋面很廣且電子產(chǎn)品的種類使用繁多， 故車載逆變電源在國(guó)外是受到人們的熱烈歡迎。而在國(guó)內(nèi)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車也慢慢由奢侈品轉(zhuǎn)為必需品，而車載逆變 電源也將成為家庭的必需品。咱們國(guó)內(nèi)沒(méi)有成熟的技術(shù)應(yīng)用到車載移動(dòng)電源上，那就 必須從國(guó)外引進(jìn)，國(guó)外現(xiàn)目前在車載移動(dòng)電源方面做的已經(jīng)比較成熟。在國(guó)外主要是 做單片機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字控制系統(tǒng)，或者是專業(yè)級(jí)頂級(jí)控制芯片系統(tǒng)，當(dāng)然價(jià)格不菲， 而且各個(gè)國(guó)家間都會(huì)有技術(shù)壁壘。因此，設(shè)計(jì)一款高效

16、安全的車載逆變電源是具有實(shí) 用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景的。1.3國(guó)內(nèi)外逆變技術(shù)現(xiàn)狀電子電力技術(shù)是一門新興的技術(shù)，它出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代。隨著電子電力技術(shù) 的不斷發(fā)展，它乂細(xì)分為了電子電力器件和變流技術(shù)這兩個(gè)方向。在逆變過(guò)程中，電 力電子器件和開(kāi)關(guān)電源是相互促進(jìn)，相輔相成的，電力器件技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)促進(jìn)開(kāi)關(guān) 電源技術(shù)的進(jìn)步。開(kāi)關(guān)電源的核心技術(shù)就是開(kāi)關(guān)管，通過(guò)開(kāi)關(guān)管的閉合和導(dǎo)通，最后 實(shí)現(xiàn)了電能的相互轉(zhuǎn)換，比如說(shuō)交流轉(zhuǎn)直流，直流轉(zhuǎn)交流，直流轉(zhuǎn)直流等。1957年, 晶閘管(scr)是最早出現(xiàn)的開(kāi)關(guān)管，它開(kāi)啟了開(kāi)關(guān)電源時(shí)代的到臨。二十年后，乂 相繼研制出了更加先進(jìn)的場(chǎng)效應(yīng)管(mosfet)、可關(guān)斷晶閘管(

17、gto)、雙極性管(bjt) 等。在上個(gè)世紀(jì)90年代初期乂出現(xiàn)了結(jié)合場(chǎng)效應(yīng)管和雙極性管特性優(yōu)點(diǎn)的絕緣柵雙極 型晶體管(igbt)o在開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的初期，早期的dc-ac逆變電源都是通過(guò)模 擬電路對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行控制的。但是其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，比如說(shuō)模擬電路相對(duì)較 復(fù)雜，并且器件多，從而導(dǎo)致成本較高；模擬器件易受環(huán)境溫度影響存在零點(diǎn)漂移問(wèn) 題；控制方法算法的不可移植性等缺點(diǎn)。隨著數(shù)字控制理論的快速發(fā)展和一些數(shù)字微 處理器(mcu)技術(shù)的發(fā)展，并且為了可以提高開(kāi)關(guān)管電源的穩(wěn)定性、可靠性、安全性 等各方面性能，在逆變電源控制系統(tǒng)的技術(shù)上，我們也由傳統(tǒng)的模擬電路控制系統(tǒng)逐 漸發(fā)展為現(xiàn)在的數(shù)字微處理

18、器電路控制系統(tǒng)目前現(xiàn)代逆變技術(shù)主要包括三部分：半導(dǎo)體功率集成器件及其應(yīng)用、功率變換電 路和逆變控制技術(shù)。因此，在具備高性能的開(kāi)關(guān)器件的前提下，通過(guò)研究與之相適應(yīng) 的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)控制方式，便能構(gòu)造出性能優(yōu)良的變流裝置。目前的逆變電源 的研究主要方向是開(kāi)關(guān)電源，利用pwm控制，而各種各樣的數(shù)字化也是研究的熱門， 例如dsp控制、單片機(jī)控制或者單片機(jī)和pwm混合控制。pwm開(kāi)關(guān)電源是讓功率 晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，這樣，在兩個(gè)狀態(tài)中，加在功率管上的伏安乘積總是 比較小，即功率半導(dǎo)體器件上產(chǎn)牛的損耗?。簩?dǎo)通時(shí)，電壓低電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓 高電流小°pwm開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程是通過(guò)“斬

19、波匕即把輸入的直流電壓斬成幅值等 于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。脈沖的占空比由開(kāi)關(guān)電源的控制器調(diào)節(jié)。一旦輸 入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)升高或者降低。最后這些交流波 形經(jīng)過(guò)整流濾波后就可以得到直流輸出電壓。在pwm逆變器中，體積和重量主要取 決于變壓器和交流濾波電感，減小變壓器和交流濾波器體積和重量的有效方法就是提 高開(kāi)關(guān)頻率，所以高頻化是逆變電源的主要趨勢(shì)之一。雖然提高開(kāi)關(guān)頻率能夠減小變 壓器的體積和重量，但同時(shí)也帶來(lái)了一些問(wèn)題，比如導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加，電磁干擾增 大，導(dǎo)致鄰近效應(yīng)加強(qiáng)，以及磁性元件的寄生參數(shù)等問(wèn)題。其中最主要的問(wèn)題就是開(kāi) 關(guān)損耗和電磁干擾。針對(duì)這些問(wèn)題，國(guó)

20、內(nèi)外有兩種有效的解決策略：一是提高開(kāi)關(guān)器 件的開(kāi)關(guān)速度；二是諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，利用諧振或準(zhǔn)諧振方式使開(kāi)關(guān)管工作在zvs或 zcs狀態(tài)。但是最早的諧振技術(shù)并不能工作在pwm方式，這就違背了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的 最終目的，即將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用到pwm逆變器中，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制pwm軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。 逆變電源發(fā)展趨勢(shì)除了高頻化、高效率之外，還有以下兒方面”叫高可靠性：包括較高穩(wěn)定性與較低的電磁干擾。我們知道，對(duì)于任何一個(gè)系統(tǒng)， 尤其是電源系統(tǒng)，穩(wěn)定性是最重要的，只有保證了穩(wěn)定性才能談其他性能，因此，高 穩(wěn)定性必然是逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)之一；而且，車載逆變器是在汽車內(nèi)使用的，由于 汽車內(nèi)的自身電子線路繁多，電磁干擾大的話后

21、果很嚴(yán)重，因此車載逆變器低電磁干 擾是其發(fā)展趨勢(shì)之一。低噪聲：目前逆變電源的缺點(diǎn)之一是噪聲大。雖然提高逆變電源的開(kāi)關(guān)頻率可以 減小變壓器和交流濾波器體積和重量，但同時(shí)也增加了電源的噪聲，在追求享受生活 的今天，噪聲太大的車載電源產(chǎn)品肯定沒(méi)有市場(chǎng)，據(jù)分析，部分諧振技術(shù)可以在提高 頻率的同時(shí)減小噪聲，因此，一種體積小、噪聲低的產(chǎn)品無(wú)疑是很有市場(chǎng)前景的，是 逆變電源的又一發(fā)展方向。數(shù)字化：傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)存在著很多不足，比如元件分散可靠性差、控制系 統(tǒng)一致性差、器件易老化導(dǎo)致輸岀性能下降等等。dsp控制器的出現(xiàn)使逆變電源實(shí)現(xiàn) 數(shù)字控制成為了可能,dsp能夠?qū)崟r(shí)地讀取逆變電源的輸出，并實(shí)時(shí)地計(jì)算岀p

22、wm輸 出值，這就使得一些先進(jìn)的控制策略得以應(yīng)用于逆變電源的控制中，這也成為了逆變 電源的發(fā)展趨勢(shì)。1.4目前存在的逆變方式以及逆變電路結(jié)構(gòu)現(xiàn)代逆變方式的種類很多，可以按照不同的形式進(jìn)行分類。其主要的分類方式如 下13-161：1）按逆變器輸出交流的頻率可以分為工頻逆變、中頻逆變和高頻逆變。工頻逆變 一般指50-60hz的逆變器；中頻逆變的頻率一般為400hz到十幾khz；高頻逆變器的 頻率則一般為十幾khz到mhzo2）按輸出相數(shù)可分為單相電路和三相電路。3）當(dāng)逆變器電路輸出的交流電能直接作用于負(fù)載時(shí)，稱為無(wú)源逆變；凡輸出電能 接在公共交流電網(wǎng)時(shí)，則稱有源逆變。4）按逆變主電路的形式可分為單

23、端式、推挽式、半橋式和全橋式逆變。5）按功率器件的可控程度，可分為半控型逆變和全控型逆變。6）按輸出穩(wěn)定的參量，可分為電壓源和電流源兩類。7）按輸出電壓或電流的波形，可分為正弦輸出逆變和非正弦輸出逆變。8) 按控制方式，可分為調(diào)頻式(pfm)逆變和調(diào)脈寬式(pwm)逆變。9) 按開(kāi)關(guān)電路的工作方式，可分為諧振式逆變、定頻硬開(kāi)關(guān)式逆變和定頻軟開(kāi)關(guān) 式逆變。逆變的直接功能是將直流電變換成交流電。逆變系統(tǒng)的核心是逆變開(kāi)關(guān)電路，或 者叫逆變電路，通過(guò)電力電子的導(dǎo)通與關(guān)斷，完成逆變的功能。電力電子開(kāi)關(guān)器件的 通斷，需要一定的驅(qū)動(dòng)脈沖，這些脈沖可以通過(guò)改變一個(gè)電壓信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)，產(chǎn)生和調(diào) 節(jié)脈沖的電路通常稱為

24、控制電路。逆變電路中，除了逆變電路和控制電路之外，還要 有保護(hù)電路、輔助電路、輸入電路、輸出電路等等，如下圖所示。1. 輸入電路逆變主電路輸入為直流電，可以是直流電網(wǎng)、蓄電持貯存的直流電，或者是直流 發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流電，此吋輸入電路包括濾波電路和emi電路；如果是交流電網(wǎng)整流 后獲得的直流電，則除了濾波和emi電路外，首先還要有整流電路。2. 輸出電路輸出電路一般都包括輸出濾波電路和emi電路，對(duì)直流負(fù)載的逆變系統(tǒng)還包括輸 出整流電路。對(duì)于開(kāi)環(huán)的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路，而對(duì)于閉環(huán)控制系 統(tǒng)，輸出量還要反饋到控制電路。3. 控制電路控制電路的功能是按要求產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列的控制脈沖來(lái)控

25、制逆變器開(kāi)關(guān)管的導(dǎo) 通和關(guān)斷，從而配合逆變主電路完成逆變功能。在逆變系統(tǒng)屮，控制電路和逆變主屯 路同樣重要。4. 輔助電路和保護(hù)電路輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓?？?以釆用工頻降壓、整流、線性穩(wěn)壓的方式，或dc/dc變換器。保護(hù)電路主要包括： 輸入過(guò)壓、欠壓保護(hù)；輸出過(guò)壓、欠壓保護(hù)；過(guò)載保護(hù)；過(guò)流和短路保護(hù)；過(guò)熱保護(hù)。5. 逆變主電路逆變主電路是由開(kāi)關(guān)器件等組成的變換電路，分為非隔離式和隔離式兩類。1.5主要內(nèi)容本文第一章介紹了車載逆變電源的選題背景以及研究意義和目的，并且闡述了 s 前存在的逆變方式。第二章介紹了本次設(shè)計(jì)所涉及到的一部分工作原理，如spw

26、m的 生成方法。并口詳細(xì)介紹了電路的換流方式。第三章是本次設(shè)計(jì)的最主要的部分之一， 詳細(xì)介紹了車載逆變電源的硬件設(shè)計(jì)，分別介紹了主控制器的設(shè)計(jì)方法,dc-dc模塊， dgac模塊，保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)。第四章是本文的軟件設(shè)計(jì)部分，介紹了開(kāi)發(fā)環(huán)境以及 stc12c5410ad的程序。第五章是本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并口進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆治觥５诙鹿ぷ髟?.1逆變電路的基本工作原理以單相橋式逆變電路為例，s|，是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助 電路組成。s|、s4閉合，s2. s3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓u。為正；s|、sq斷開(kāi)，s2. s3閉 合時(shí)，u°為負(fù)，把直流電變成了交流電。改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率

27、，可改變輸出頻率。vt3vt4a)圖2-1逆變電路及其波形舉例電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流i°和u。的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，i°滯后于u。， 波形也不同（圖2-lb）o tj時(shí)刻斷開(kāi)s|、s4,合上s?、s3, u°變負(fù)，但i°不能立刻反 向。i°從電源負(fù)極流岀，經(jīng)s?、負(fù)載和s3流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，i°逐 漸減小，t?時(shí)刻降為零，之后i。才反向并增大l，8-20jo2.1.1換流方式電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱為換流，也稱換相。適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng) 信號(hào)就可使其開(kāi)通稱為開(kāi)通，全控型器件可通過(guò)門極關(guān)斷。半控型器件

28、如品閘管，必 須利用外部條件才能關(guān)斷，一般在品閘管電流過(guò)零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。 研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。換流方式主要有三種：1、器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。2、電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。可控整流電路、交流調(diào)壓電路和采用相控方 式的交交變頻電路，不需器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加元件。3、負(fù)載換流由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流。負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可 實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，負(fù)載為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。uds.s3i（）uob)a)圖2-2負(fù)載換流電路及其工作波形基本的負(fù)載換流逆變電路，采用晶閘管

29、，電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在 接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。電容為改善負(fù)載功率因數(shù)使其略呈容性而接入，直流 側(cè)串入大電感l(wèi)d, id基本沒(méi)有脈動(dòng)。其工作過(guò)程為，4個(gè)臂的切換僅使電流路徑改變, 負(fù)載電流基本呈矩形波。負(fù)載工作在對(duì)基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對(duì)基波阻抗很 大,對(duì)諧波阻抗很小，u。波形接近正弦。q前vi；、口通，vt2. 口斷，u。、i°均 為正，vt2. 口電壓即為u0o t,時(shí)觸發(fā)vtvt3使其開(kāi)通，u。加到vi；、口上使 其承受反壓而關(guān)斷，電流從vi；、vi；換到vt?、vt3o h時(shí)刻必須在li。過(guò)零前并留有 足夠裕量，才能使換流順利完成,2,-22,o4、強(qiáng)

30、迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流的換流方 式稱為強(qiáng)迫換流。通常利用附加電容上儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱為電容換流。直接耦 合式強(qiáng)迫換流由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓。vt通態(tài)時(shí)，先給電容c充電。 合上s就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷。jcvt5z 圖2-3直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流（圖2-3）o先使晶閘管電 流減為零，然后通過(guò)反并聯(lián)二極管使其加反壓的換流叫電流換流。器件換流適用于全 控型器件。其余三種方式針對(duì)晶閘管。器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于外部換流。當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移，而是在

31、支路內(nèi)部 終止流通而變?yōu)榱悖瑒t稱為熄滅。2.1.2全橋逆變電路圖24單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式圖24,兩個(gè)半橋電路的組合。1和4 一對(duì)，2和3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通， 交替各導(dǎo)通180% u。波形如圖24b。半橋電路的u°,幅值高出一倍um = udo i0波形 和圖2-4 b中的i°相同，幅值增加一倍，單相逆變電路中應(yīng)用最多的。輸出電壓定量分析u。成傅里葉級(jí)數(shù)uo =- (sin(wt) + - sin(3 wt) + sin(5 wt) + )(2-1)兀35其中基波幅值和基波有效值分別為：4uu。佔(zhàn)= 127u(2-2)71u。嚴(yán)斫 乂= 0.91(2-3)71

32、u°為正負(fù)各180。吋，要改變輸出電壓有效值只能改變5來(lái)實(shí)現(xiàn)。可采用移相方 式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調(diào)壓。各柵極信號(hào)為180。正偏，180。反偏，口 «和v?互補(bǔ)，v?和互補(bǔ)關(guān)系不變。«的基極信號(hào)只比m落后q (0<q<180°),比、v4 的柵極信號(hào)分別比v?、的前移180°-q, u°成為正負(fù)各為q的脈沖，改變q即可調(diào) 節(jié)輸出電壓有效值嚴(yán)】。2.2 spwm逆變器的工作原理正弦脈寬調(diào)制法（spwm）是將每-一正弦周期內(nèi)的多個(gè)脈沖作自然或規(guī)則的寬度 調(diào)制，使其依次調(diào)制岀相當(dāng)于正弦函數(shù)值的相位角和面積等效于正弦波

33、的脈沖序列， 形成等幅不等寬的正弦化電流輸出。其中每周基波與所含調(diào)制輸出的脈沖總數(shù)之比即 為載波比。其調(diào)制原理（以單相為例）：以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率 比期望波高得多的等腰三角波作為載波，并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波, 當(dāng)調(diào)制波與載波相交吋，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷吋刻，從而獲得在 正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄屮間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。矩形波的面 積按正弦規(guī)率變化。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（簡(jiǎn)稱spwm）,這種序列的矩 形波稱作spwm波124-261。圖25 pwm的調(diào)制的原理等效原理即如圖25所示，把正弦分成n等分，每一區(qū)間的面積用與其

34、相等的等 幅不等寬的矩形面積代替，正弦的正負(fù)半周均如此處理。spwm控制技術(shù)有單極性控 制和雙極性控制兩種方式。如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的 一種極性范圍內(nèi)變化，所得的spwm波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制 方式。如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則spwm 波也在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。正弦脈寬調(diào)制的特點(diǎn)是脈寬調(diào)制是以逆 變器的功率器件的快速而有規(guī)律的開(kāi)關(guān)，形成一系列有規(guī)則的矩形方波，以和期望的 控制電壓等效。其特點(diǎn)是基波分量大，2nj次以下諧波得到有效的擬制，輸出電流接 近正弦波ospwm的概念在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖

35、系列的占空比按正弦規(guī)律來(lái)安排。 當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當(dāng)正弦值 較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載 電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。spwm脈沖系列中，各脈沖 的寬度以及相互間的間隔寬度是由正弦波（基準(zhǔn)波或調(diào)制波）和等腰三角波（載波）的交 點(diǎn)來(lái)決定的。2.2.1單雙極性spwm法圖2-6單極性pwm波曲線比是正弦調(diào)制波，其周期決定于需要的調(diào)頻比振幅值決定于曲線u, 是采用等腰三角波的載波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于人=1時(shí)正弦調(diào)制 波的振幅值，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同（即單極

36、性）。調(diào)制波和載波的交點(diǎn)， 決定了 spwm脈沖系列的寬度和脈沖的間隔寬度，每半周期內(nèi)的脈沖系列也是單極性 的。在每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖的規(guī) 律時(shí)通時(shí)斷地工作，另一個(gè)完全截止；而在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工況正好相反， 流經(jīng)負(fù)載的便是正、負(fù)交替的交變電流。（2雙極型spwm法調(diào)制波仍為正弦波，其周期決定于kf,振幅決定于載波為雙極性的等腰三角 波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，與匕二1時(shí)正弦波的振幅值相等。調(diào)制波與載 波的交點(diǎn)決定了逆變橋輸岀相電壓的脈沖序列，此脈沖序列也是雙極性的，但是，由 相電壓合成為線電js（uab =ua-uh,ulx; =u

37、b-uc,uca =uc-ua）時(shí)，所得到的線電壓脈沖序 列卻是單極性的。逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列 的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，毫不停息，而流過(guò)負(fù)載的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流0。（3）實(shí)施spwm的基本要求必須實(shí)時(shí)地計(jì)算調(diào)制波（正弦波）和載波（三角波）的所有交點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，根據(jù)計(jì)算 結(jié)果，有序地向逆變橋中各逆變器件發(fā)出“通，利斷啲動(dòng)作指令。調(diào)節(jié)頻率時(shí)，一方而，調(diào)制波與載波的周期要同時(shí)改變；另一方面，調(diào)制波的振幅要隨頻率而變，而載波的 振幅則不變，所以，每次調(diào)節(jié)后，交點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)都必須重新計(jì)算。2.2.2 spwm的控制方法采用高開(kāi)關(guān)頻率的全控型電力電子器件組成

38、逆變電路時(shí)，先假定器件的開(kāi)與關(guān)均 無(wú)延時(shí)，于是可將要求變頻器輸岀三相spwm波的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為如何獲得與其形狀相同 的三相spwm控制信號(hào)問(wèn)題，用這些信號(hào)作為變頻器中各電力電子器件的基極（柵極） 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。原始的spwm是由模擬控制實(shí)現(xiàn)的。圖210是spwm變壓變頻器的模擬 控制電路框圖。三相對(duì)稱的參考正弦電壓調(diào)制信號(hào)、11山、ug由參考信號(hào)發(fā)生器 提供，其頻率和幅值都可調(diào)。三角載波信號(hào)q由三角波發(fā)生器提供，各相共用。它分 別與每相調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較，給出“正"的飽和輸出或“零"輸出，產(chǎn)生spwm脈沖波序 列uda、口此、udc，作為變壓變頻器功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。spwm的模

39、擬控制 現(xiàn)在已很少應(yīng)用，但它的原理仍是其它控制方法的基礎(chǔ)l2s-30jo圖2-7 spwm變壓變頻器的模擬控制電路驅(qū)動(dòng)vt）-vt6目前常用的spwm控制方法是數(shù)字控制。可以采用微機(jī)存儲(chǔ)預(yù)先計(jì)算好的spwm 波形數(shù)據(jù)表格，控制時(shí)根據(jù)指令調(diào)出；或者通過(guò)軟件實(shí)吋生成spwm波形；也可以采 用大規(guī)模集成電路專用芯片中產(chǎn)生的spwm信號(hào)。下面列出幾種常用的方法：1、自然釆樣法完全按照模擬控制的方法，計(jì)算正弦調(diào)制波與三角載波的交點(diǎn)，從而求出相應(yīng)的 脈寬和脈沖間歇時(shí)刻，牛成spwm波形，稱為自然采樣法，如圖28所示。在圖中截 取了任意一段正弦調(diào)制波與三角載波的相交情況。交點(diǎn)a是發(fā)出脈沖的時(shí)刻，b點(diǎn)是結(jié) 束

40、脈沖的吋刻。圖2-8 spwm變壓變頻器的模擬控制電路j為三角載波的周期；勺為在 .時(shí)間段內(nèi)在脈沖發(fā)生以前（即a點(diǎn)以前）的間歇時(shí)間；為ab之間的脈寬吋間3為在 s時(shí)間段以內(nèi)b點(diǎn)以后的間歇時(shí)間。顯然tc =t|+t2+t3。若以單位1代表三角載波的幅值,貝ij止弦調(diào)制波的幅值就表示調(diào)制度m, 止弦調(diào)制波可寫作ur =msinwjtc o式中，w是調(diào)制頻率，也就是變壓變頻器的輸岀頻 率，由于a、b兩點(diǎn)對(duì)三角載波的中心線并不對(duì)稱，須把脈寬時(shí)間分成l和兩部 分(見(jiàn)圖28)。按相似直角三角形的幾何關(guān)系，可知2 = l + msinwg(2-6)2 _ 1 + msin ¥心(2-7)v2 t/

41、經(jīng)整理得t m(2-8)t2 =t2l+t2,f = 1 + 一(sin wjta +sm wjtb)2 2這是一個(gè)超越方程，其中ta、tb與載波比n、調(diào)制度m都有關(guān)系，求解困難，而 且tt3,分別計(jì)算更增加了困難。因此，自然采樣法雖能確切反映正弦脈寬調(diào)制的原 始方法，計(jì)算結(jié)果正確，卻不適于微機(jī)實(shí)時(shí)控制。2、規(guī)則采樣法自然采樣法的關(guān)鍵問(wèn)題是，spwm波形每一個(gè)脈沖的起始和終了吋刻ta和0對(duì)三 角波的中心線不對(duì)稱，因而求解困難。工程上實(shí)用的方法要求算法簡(jiǎn)單，只要誤差不 大，允許作一些近似處理。這樣就提出了各種規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣法的出發(fā)點(diǎn)是設(shè) 法在三角載波的特定吋刻處確定正弦調(diào)制波的采樣電壓值，

42、使脈沖的起始和終了時(shí)刻 對(duì)稱，這樣就比較容易計(jì)算求出對(duì)應(yīng)于每一個(gè)spwm波的采樣吋刻。圖29所示是一 種規(guī)則采樣法，以三角載波的負(fù)峰值作為采樣時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的采樣電壓為。在三角載 波上由心水平線截得a、b兩點(diǎn)，以此確定了脈寬時(shí)間t?。由于在兩個(gè)三角載波波形正峰值之間的時(shí)刻即為tc，因此a點(diǎn)、b點(diǎn)與載波各正峰值的間隔時(shí)間分別為-和且 = t3,而相應(yīng)的spwm波形相對(duì)于.的中間時(shí)刻(載波負(fù)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻)對(duì)稱，這就大 大簡(jiǎn)化了計(jì)算。需要指出的是，上述規(guī)則采樣法所得spwm波形的起始時(shí)刻、終了時(shí) 刻以及脈寬大小都不如自然采樣法準(zhǔn)確，脈沖起始時(shí)刻a點(diǎn)比自然采樣法提前了，終 了時(shí)刻b點(diǎn)也提前了，雖然兩者提

43、前的時(shí)間不盡相同，但終究相互之間有了一些補(bǔ)償， 對(duì)脈沖寬度的影響不大，所造成的誤差是工程上能夠允許的，畢竟規(guī)則采樣法的算法 簡(jiǎn)單多了。由圖29可以看出，規(guī)則采樣法的實(shí)質(zhì)是用階梯波來(lái)代替正弦波(圖中粗實(shí) 線所示)，從而簡(jiǎn)化了算法。只要載波比足夠大，不同的階梯波都很逼近正弦波，所造 成的誤差可以忽略不計(jì)31351在規(guī)則采樣法屮，三角載波每個(gè)周期的采樣時(shí)刻都是確定的，都在負(fù)峰值處，不 必作圖就可計(jì)算出相應(yīng)時(shí)刻的正弦波值。例如采樣值應(yīng)依次為msinw|te, msinw, msinw山+2t,因而脈寬時(shí)間和間歇時(shí)間都可以很容易計(jì)算出來(lái)。由圖212 可得規(guī)則采樣法的計(jì)算公式：脈寬時(shí)間(2-9)t2=(l

44、 + msinw,tc)間歇時(shí)間t>=t3=(tc-t2)(2-10)實(shí)用的變頻辭多是三相的，因此還應(yīng)形成三相的spwm波形。三相正弦調(diào)制波在 時(shí)間上互差2兀/3,而三角載波是共用的，這樣就可在同一個(gè)三角載波周期內(nèi)獲得圖210 所示的三相spwm脈沖波形。在圖中，每相的脈寬時(shí)間、和q都可計(jì)算，求三相脈寬時(shí)間的總和時(shí)，等式右邊第一項(xiàng)相同，加起來(lái)是其三倍，第二項(xiàng)之和則為零， 因此：3ta2 +02 +q = ttc（2-11）51c圖210三相spwm波形的生成三相間歇時(shí)間總和為(2-12)(2-13)3 ral +tbl +tcl +ta3 +.3 +3 = 3t; _(la2 + lb2

45、 + lc2)=脈沖兩側(cè)的間歇吋間相等，所以3tai + lbl += j3 + 03 + .3 =式中，下角標(biāo)a、b、c分別表示a、b、c三相。在數(shù)字控制中，一般可以離線，先 在計(jì)算機(jī)上算出不同v與m時(shí)的脈寬時(shí)間°或i；/2*msinw人后寫入eprom,然后 由調(diào)速系統(tǒng)的微機(jī)通過(guò)查表和加減法運(yùn)算求出各相脈寬時(shí)間和間歇時(shí)間，這就是查表 法。也可以在內(nèi)存中存儲(chǔ)正弦函數(shù)和tj2的值，控制時(shí)，先取出正弦值與調(diào)速系統(tǒng)所 需的調(diào)制度m作乘法運(yùn)算，再根據(jù)給定的載波頻率取出對(duì)應(yīng)的tj2值，與msinwje作 乘法運(yùn)算，然后運(yùn)用加、減、移位即可算岀脈寬時(shí)間j和間歇時(shí)間勺、t3,此即實(shí)時(shí) 計(jì)算法。按

46、查表法或?qū)崟r(shí)計(jì)算法所得的脈沖數(shù)據(jù)都送入定時(shí)器，利用定時(shí)中斷向接口 電路送出相應(yīng)的高、低電平，以實(shí)時(shí)產(chǎn)生spwm波形的一系列脈沖。對(duì)于開(kāi)環(huán)控制系 統(tǒng)，在某一給定轉(zhuǎn)速下其調(diào)制度m與頻率都有確定值，所以宜采用查表法。對(duì)于閉 環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行中調(diào)制度m值須隨時(shí)被反饋控制調(diào)節(jié)，所以用實(shí)時(shí)計(jì) 算法更為宜卩叫2.3小結(jié)本章首先介紹了逆變電路的原理，逆變電路主要包括有半橋逆變電路，全橋逆變 電路以及帶中心抽頭變壓器的逆變電路，木設(shè)計(jì)采用全橋逆變電路設(shè)計(jì)，全橋逆變電 路可以看成是兩個(gè)半橋電路的組合，其由四個(gè)全控型器件組成，開(kāi)關(guān)器件1和4 一對(duì)， 2和3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，交替各導(dǎo)通180%其比

47、半橋電路的u。幅值高出一 倍，i°波形相同，幅值增加一倍。接下來(lái)乂研究了換流方式，換流方式有四 種分別是器件換流，電網(wǎng)換流，負(fù)載換流，強(qiáng)迫換流。適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使其 開(kāi)通稱為開(kāi)通，全控型器件可通過(guò)門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件 才能關(guān)斷，一般在晶閘管電流過(guò)零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主 要是研究如何使器件關(guān)斷。接著乂介紹了 spwm的產(chǎn)生原理以及生成方法，共有兩種，分別是自然采樣法和 規(guī)則采樣法，并且詳細(xì)比較了兩種采樣方法的優(yōu)缺點(diǎn)。自然采樣法雖然牛成的spwm 波形更接近正弦波，但是因?yàn)橐蠼獬椒匠?，從而?dǎo)致計(jì)算十分困難，而規(guī)則采樣 法在效果上和

48、自然采樣法所得spwm相差不多，并且計(jì)算簡(jiǎn)單，所以在工程應(yīng)用中大 多采用后者。第三章硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的止弦波輸出逆變電源，根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能和逆變電源的轉(zhuǎn)換流 程。系統(tǒng)的碩件可分為幾大模塊：主控制器，dc-dc驅(qū)動(dòng)模塊，dc-ac模塊，保護(hù)模 塊，顯示模塊。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。圖31逆變電源系統(tǒng)框圖主控制器采用單片機(jī)stc12c5410ado主要實(shí)現(xiàn)的功能是根據(jù)反饋輸出電壓、電 流從而在液品顯示上顯示。通過(guò)系統(tǒng)自帶pca模塊，來(lái)對(duì)比寄存器的值，采用模擬脈 寬調(diào)制法，控制端口輸出止弦調(diào)制波即產(chǎn)生spwm驅(qū)動(dòng)。dc-dc驅(qū)動(dòng)模塊是利用經(jīng)過(guò)pwm調(diào)制波將直流低壓變?yōu)楦哳l的方波。輸出的高

49、 頻方波經(jīng)過(guò)整流濾波后轉(zhuǎn)換為400v左右的直流電，給整個(gè)逆變電源提供足夠的功率。dc-ac模塊利用主控制器產(chǎn)生的spwm純止弦波調(diào)制到dc-dc電路產(chǎn)生的400v 直流上，最終將這個(gè)直流電轉(zhuǎn)換成220v, 50hz的交流電。保護(hù)模塊主要有溫度控制、輸出保護(hù)、輸入保護(hù)等。實(shí)現(xiàn)的功能包括根據(jù)采集到 的溫度控制散熱風(fēng)扇。如果輸入電壓過(guò)低，表示蓄電池電量不足，停止轉(zhuǎn)換，保護(hù)蓄 電池。當(dāng)輸入電壓過(guò)高時(shí)，切斷輸入，防止燒壞芯片。當(dāng)輸入正負(fù)接反時(shí)，切斷電源 輸入，保護(hù)后級(jí)電路。輸出短路時(shí)，自動(dòng)停止逆變轉(zhuǎn)換。當(dāng)短路恢復(fù)后，自動(dòng)恢復(fù)逆 變轉(zhuǎn)換。負(fù)載功率過(guò)高時(shí)，停止逆變轉(zhuǎn)換。顯示與告警模塊有三部分。一是液品顯示屏

50、，二是發(fā)光二極管，三是蜂鳴器。液 品屏可以顯示輸岀的電壓，電流，頻率等信息。發(fā)光二極管用于指示電源的工作狀態(tài)， 保護(hù)狀態(tài)的提示等。蜂鳴器是當(dāng)發(fā)生短路、過(guò)載、輸入過(guò)低或過(guò)高時(shí)發(fā)出蜂鳴聲告知 用戶。3.1主控制器本次設(shè)計(jì)采用的主控制器是單片機(jī)stc12c5410ado stc12c5410ad是宏晶公司 生產(chǎn)的單吋鐘單片機(jī)，指令與8051系列完全兼容，但速度卻快了近10倍。擁有10k 的程序存儲(chǔ)空間和512b的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。擁有高速運(yùn)算、超低功耗、超強(qiáng)抗干擾的性 能。每個(gè)io 口、電源引腳、晶振引腳、復(fù)位引腳都經(jīng)過(guò)特殊的處理，對(duì)vcc和gnd 加入了二極管箝位保護(hù)，可以有效的防止干擾經(jīng)過(guò)這些接口進(jìn)

51、入到單片機(jī)內(nèi)部。自帶 看門狗電路，無(wú)需外置看門狗芯片，減小系統(tǒng)的體積和成本。內(nèi)部集成了復(fù)位專用的 max810屯路，使得復(fù)位電路的設(shè)計(jì)更加方便。集成了 4路可編程的pwm模塊電路， 使得通過(guò)編程來(lái)產(chǎn)生spwm波形，最終調(diào)制出50hz的交流電。集成了 8路的高速10 位ad轉(zhuǎn)換模塊，利用這些模塊可以轉(zhuǎn)換出反饋的交流電壓和電流。單片機(jī)最小系統(tǒng) 如圖32示,37-38,olb圖3-2單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2 dc-dc模塊的設(shè)計(jì)該模塊的作用是將輸入的12v低壓肓流電經(jīng)過(guò)高頻pwm脈沖調(diào)制，控制開(kāi)關(guān)管 的關(guān)斷與閉合，輸岀一個(gè)低壓的交流電。將該電壓輸入到高頻變壓器的低壓端，變壓 器的高壓端輸出一個(gè)400v左

52、右的交流電。將該電壓經(jīng)過(guò)整流后輸出一個(gè)400v左右的 高壓肓流電，然后將該電壓供給下一級(jí)使用。根據(jù)該模塊的功能，可以將該模塊分為 三個(gè)部分來(lái)設(shè)計(jì)。第一部分是調(diào)制pwm脈沖的產(chǎn)生。第二部分是變壓器的設(shè)計(jì)。第 三部分是輸出電壓的整流。3.2.1 pwm脈沖產(chǎn)生電路本次設(shè)計(jì)pwm脈沖產(chǎn)生采用的芯片是定頻pwm芯片sg3525o芯片的1腳為反 相輸入端，2腳為同相的輸入端，這兩個(gè)管腳連接的是芯片內(nèi)直流開(kāi)環(huán)增益為70db的 兩級(jí)差分誤差放大器。(3-1)芯片的5腳、6腳、7腳內(nèi)的電路組成了 sg3525內(nèi)部振蕩器。這三個(gè)引腳內(nèi)部的 比較器和電容充放電電路加上外接的電阻電容電路便可組成振蕩器。芯片的3腳為

53、振 蕩器的外部同步輸入端。5腳外接電容g，6腳外接電阻r.。振蕩器的頻率的計(jì)算公 式如下：ct(0.7rt+3rd)振蕩器產(chǎn)生的輸出分為兩路，一路送入雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，輸出方式為時(shí)鐘脈沖的形 式；另一路送至入比較器的同相輸入端，輸入方式為以鋸齒波的形式。誤差放大器輸 出的數(shù)據(jù)送入比較器的反相輸入端。比較器根據(jù)輸入的鋸齒波和誤差放大器的輸出進(jìn) 行比較。輸出一個(gè)方波，該方波的寬度隨著誤差放人器的輸出電壓高低而改變。該方 波脈沖送入或非門其中一個(gè)輸入端，另兩個(gè)輸入端為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩鋸齒波。雙 穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是兩個(gè)輸出互補(bǔ)的波形，高低電平交替輸出。產(chǎn)生的pwm脈沖送至晶閘 管vi；、vt?的基極。鋸齒波可

54、以保證vt和vt?不會(huì)同吋導(dǎo)通，控制了死區(qū)吋間。vt 和vt.輸出pwm波,其相位差180%芯片9腳和1腳之間需要連接反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使輸出的波形更加正確。由于pwm產(chǎn) 生電路屬于高頻電路，與后級(jí)電路存在相互干擾的可能性。因此將pwm產(chǎn)生電路單 獨(dú)設(shè)計(jì)，通過(guò)插接方式來(lái)連接卩代 設(shè)計(jì)的部分電路如圖33所示。圖33 pwm產(chǎn)生電路圖3.2.2變壓器的設(shè)計(jì)高頻變壓器作為逆變電源dc-dc模塊中的核心器件，它的主要參數(shù)和性能指標(biāo)直 接決定整個(gè)逆變電源的優(yōu)劣。高頻變壓器磁化特性曲線工作在第一和第三象限。磁通 變化范圍較大，可以從-bn jlj +bm o因此，它屬于對(duì)稱式變壓器。本次設(shè)計(jì)采用的e55 鐵氧體

55、磁芯變壓器。關(guān)于變壓器的參數(shù)計(jì)算，主要有以下兒項(xiàng)。(1) 功率容量ee55的鐵心柱截面積a。為3.515平方厘米。窗口面積aq為3.9平方厘米。功率容 量的計(jì)算為ap = ae * aq = 13.7 o(2) 原邊繞組匝數(shù)np的計(jì)算公式：np=(vj/2)*10/(4*f*bm*ac)= (310/2)*10/(4*80000*015*35) = 10l(3-1)叫取整數(shù)10匝。(3) 副邊繞組匝數(shù)根據(jù)原副邊繞組匝數(shù)比公式(3-2 叫/n嚴(yán)論他/(2汕)可以計(jì)算出原副邊繞組的匝數(shù)比為1： 6o則副邊繞組的匝數(shù)為60匝。繞制步驟先繞1/2次級(jí)繞組(高壓部分)使用高溫膠帶在磁芯的骨架上粘一圈，可

56、以防止導(dǎo) 線打滑。用一根0.93線繞30圈左右，可以繞一層為準(zhǔn)。采用高溫膠帶將次級(jí)繞組的外 面包三層。初級(jí)繞組(低壓部分)低壓繞組分兩層。繞制示意圖如圖34所示。圖3-4繞制不意圖先用5根0.93線繞兩圈，如圖屮紅色。線屮間留空隙。在空隙處用另5根線繞兩 圈，如藍(lán)線。兩根線的長(zhǎng)度約37厘米。采用同樣方法，繞第二層。兩層屮間采用高溫 膠帶隔離。相當(dāng)于10匝。(3) 另外1/2的次級(jí)繞組按照步驟1的方法，采用同樣的繞向繞完剩下的1/2。采用高溫膠帶包三層左右。(4) 焊接引線繞組繞完后，將留出的線頭，釆用焊接在骨架上。并將線頭去漆上錫。323輸出整流電路的設(shè)計(jì)輸出整流采用的是快速二極管sbyv26

57、c組成的橋式整流電路。輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)100uf/400v的電容濾波處理。經(jīng)過(guò)濾波后輸出一個(gè)400v的直流電。供給下一級(jí)使用。pwm產(chǎn)生電路產(chǎn)生的兩路pwm波pi和p2后，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管的調(diào)制為交流電后, 經(jīng)過(guò)高頻變壓器,輸出高頻高壓，經(jīng)過(guò)四個(gè)二極管來(lái)整流。設(shè)計(jì)的電路如圖36所示h叭圖3-5 dc-dc輸出電路原理圖3.3 dc-ac模塊的設(shè)計(jì)逆變電源實(shí)現(xiàn)的主要功能便是直流到交流的轉(zhuǎn)換，而該模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能便是 直流到交流的轉(zhuǎn)換。因此，該模塊是整個(gè)系統(tǒng)屮最重要的組成部分，是整個(gè)逆變電源 的靈魂，起主導(dǎo)地位。逆變電源的性能很大程序取決于該模塊的性能。該模塊的轉(zhuǎn)換 原理是將dc-dc模塊得到的400v直流電通過(guò)spwm波形調(diào)制成220v/50hz的交流 電。然后通過(guò)lc濾波屯路濾除其它雜波，使輸出波形更加完美。因此，該模塊電路可 以分為三部分。第一部分是驅(qū)動(dòng)單片機(jī)產(chǎn)生的spwm波形。第二部分是將接在400v 直流電的開(kāi)關(guān)管按spwm波形閉合與斷開(kāi)。第三部分是對(duì)開(kāi)關(guān)管的輸岀的波形進(jìn)行濾 波。詳細(xì)介紹如下】。3.3.1 spwm波驅(qū)動(dòng)隔離的設(shè)計(jì)單片機(jī)直接輸出的功率較小，而且容