全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告單相正弦逆變電源

1、單相正弦逆變電源摘要：本作品設(shè)計(jì)了由STM32輸出SPWM信號(hào)控制的逆變電源，實(shí)現(xiàn)以12V直流電源輸入，36V正弦交流電輸出。本電源采用Boost升壓和全橋逆變兩級(jí)變換，在前級(jí)Boost升壓電路中，采用UC3842芯片進(jìn)行PWM控制。逆變部分采用IR2110驅(qū)動(dòng)芯片及MOS開(kāi)關(guān)管進(jìn)行全橋逆變，可直接通過(guò)程序進(jìn)行SPWM調(diào)制，從而改變交流輸出頻率。輸出交流信號(hào)通過(guò)AD637進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換后，再由STM8單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將電壓值等工作狀態(tài)顯示在LCD12864上。在電路保護(hù)上，采取了過(guò)壓過(guò)流保護(hù)，增強(qiáng)了該電源的可靠性和安全性。經(jīng)測(cè)試，該電源輸出信號(hào)穩(wěn)定、效率高，有良好的人機(jī)交互界面，是理想的

2、單相正弦逆變電源解決方案。關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嗾也孀?、SPWM、Boost升壓、全橋逆變Single Phase Sine Inverter Power SupplyAbstract: this work was designed by STM32 output SPWM control signal of inverter power supply, implementation to the 12 v dc power input, 36 v sinusoidal alternating current output. The power supply adopts the Boost boo

3、ster and full bridge inverter two-stage transformation, in the first level Boost booster circuit, using UC3842 PWM control chip. Inverter part driven by IR2110 chip to the full bridge inverter and MOS switch tube, can be directly programmed for SPWM modulation, which changes ac output frequency. Out

4、put ac signal through the AD637 RMS conversion after, again by STM8 modulus conversion, single-chip and voltage value on work status display LCD12864, etc. On the circuit protection, adopted the over-voltage and over-current protection, enhance the reliability and security of the power supply. After

5、 test, the power supply output signal stability, high efficiency, has the good human-computer interaction interface, is the ideal single-phase sine inverter power supply solutions.Keywords: Single-phase sine wave inverter, SPWM, Boost booster, Full bridge inverter目錄1. 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求41.1 設(shè)計(jì)任務(wù)41.2 設(shè)計(jì)要求42. 總體

6、方案設(shè)計(jì)52.1 方案論證與選擇52.1.1 DC-DC變換器方案論證及選擇52.1.2 DC-AC變換器方案論證及選擇62.1.3 輔助電源方案論證及選擇62.2 整體方案73. 單元模塊設(shè)計(jì)83.1 DC-DC變換器設(shè)計(jì)83.2 DC-AC逆變器設(shè)計(jì)93.3 SPWM設(shè)計(jì)103.3.1 SPWM波的原理103.3.2 實(shí)現(xiàn)方法113.4 真有效值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)123.5 輔助電源設(shè)計(jì)134. 控制程序設(shè)計(jì)144.1 STM8控制及狀態(tài)顯示程序流程144.2 STM32 SPWM控制程序流程155. 系統(tǒng)調(diào)試155.1 軟件調(diào)試155.2 硬件調(diào)試166. 系統(tǒng)功能及指標(biāo)參數(shù)176.1 測(cè)試儀

7、器176.2 測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)論177. 設(shè)計(jì)總結(jié)17參考文獻(xiàn)18 1. 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作輸出電壓為36VAC的單相正弦波逆變穩(wěn)壓電源。輸入為12VDC電源，負(fù)載為阻性。電路結(jié)構(gòu)圖如下圖1.1所示：圖1.1 電路結(jié)構(gòu)圖1.2 設(shè)計(jì)要求 a基本要求 （1）輸出電壓波形為正弦波。用示波器觀察無(wú)明顯失真。（2）在額定輸入電壓（DC）為：10 V14V，輸出電壓（AC）為：36V±0.5V, 輸出頻率為:50HZ,額定滿載輸出功率50W.（3）輸出正弦波電壓,THD5%. （4）滿載情況下,逆變器效率70%。（5）具有過(guò)、欠電壓保護(hù)功能，過(guò)壓動(dòng)作電壓為UO（th

8、）=（15.5±0.5）V；欠壓動(dòng)作電壓為UO（th）=（9±0.5）V；(6) 輸出過(guò)電流保護(hù)功能。過(guò)流動(dòng)作電流為IO（th）=（1.55±0.1）A.b發(fā)揮部分 （1）進(jìn)一步提高逆變器效率90%。（2）輸出正弦波電壓,THD1%.（3）輸出頻率可調(diào),調(diào)節(jié)范圍為: 20HZ100HZ（4）設(shè)計(jì)制作具有測(cè)量、顯示逆變穩(wěn)壓電源輸出電壓、電流、頻率和功率的電路，測(cè)量誤差5%.（5）具有輸出保護(hù)功能，可自動(dòng)恢復(fù)。具有工作及保護(hù)指示。 （6）其他2. 總體方案設(shè)計(jì)2.1 方案論證與選擇2.1.1 DC-DC變換器方案論證及選擇方案1：Boost升壓變換器Boost原理電路

9、如圖2.1所示。Boost電路開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷受外部PWM信號(hào)控制，電感L將交替地存儲(chǔ)和釋放能量。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，電能以磁能形式儲(chǔ)在電感線圈中，同時(shí)電容C0放電，電阻RL兩端電壓為V0。當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，電源電壓Uin與電感自感電壓Ul串聯(lián)，以高于V0的電壓向電容C0、負(fù)載RL供電，因此該電路為升壓電路，通過(guò)改變PWM控制信號(hào)的占空比可以相應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化。該電路采取直接直流升壓，電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，損耗較小，效率較高。圖2.1 Boost升壓變換器方案2：MC34063升壓變換器MC34063組成的升壓變換器電路如圖2.2所示。MC34063由溫度補(bǔ)償功能的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比

10、可控的振蕩器、RS觸發(fā)器和大電流輸出開(kāi)關(guān)電路組成。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。該變換器電路簡(jiǎn)單，適用于以單片機(jī)為基礎(chǔ)的電路系統(tǒng)中。圖2.2 MC34063升壓變換器方案選擇：以上兩種變換器均可實(shí)現(xiàn)直流12V升壓至52V，但MC34063允許的開(kāi)關(guān)頻率較小，且采用開(kāi)環(huán)誤差放大，占空比不能鎖定，造成電感量和電容量計(jì)算復(fù)雜。相比之下，選擇準(zhǔn)確性和可行性較高的Boost電路，選擇方案1。2.1.2 DC-AC變換器方案論證及選擇方案1：全橋DC-AC變換器全橋DC-AC變換器。全橋電路中互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，而同

11、一側(cè)的半橋上下兩開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通，將直流電壓成幅值為 的交流電壓，加在變壓器一次側(cè)。改變開(kāi)關(guān)的占空比，也就改變了輸出電壓 。全橋式電路如圖2.3所示。圖2.3 全橋逆變器方案2：半橋DC-AC變換器在驅(qū)動(dòng)電壓的輪流開(kāi)關(guān)作用下,半橋電路兩只晶體管交替導(dǎo)通和截止,它們?cè)谧儔浩鱐原邊產(chǎn)生高壓開(kāi)關(guān)脈沖,從而在副邊感應(yīng)出交變的方波脈沖,實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。半橋電路輸入電壓只有一半加在變壓器一次側(cè)，這導(dǎo)致電流峰值增加，因此半橋電路只在500W或更低輸出功率場(chǎng)合下使用，同時(shí)它具有抗不平衡能力，從而得到廣泛應(yīng)用。半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖如圖2.4所示。圖2.4 半橋逆變器方案選擇：方案1和方案2都可以作為DC-AC變換器的

12、逆變橋，由兩者的工作原理可知，半橋需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，全橋需要四個(gè)開(kāi)關(guān)管。半橋和全橋的開(kāi)關(guān)管的耐壓都為,而半橋輸出的電壓峰值是，全橋輸出電壓的峰值是，所以在獲得同樣的輸出電壓的時(shí)候，全橋的供電電壓可以比半橋的供電電壓低一半。出于這點(diǎn)的考慮，決定采用全橋逆變，即方案1。2.1.3 輔助電源方案論證及選擇方案1：線性穩(wěn)壓電路7805是常用的三端穩(wěn)壓集成電路，其典型應(yīng)用電路如下圖2.5所示，這是一個(gè)輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負(fù)載電阻。圖2.5 線性穩(wěn)壓電路方案2：Buck降壓變換器Buck變換器原理電路如圖2.6所示，承擔(dān)

13、開(kāi)關(guān)切換功能的器件常為功率MOS管，輸出濾波電容由低頻濾波性能良好的大容量電解電容Co1和高頻濾波特性良好的小容量CBB電容Co2組成。為防止自激，需增加輸入濾波電容Ci1、Ci2。圖2.6 Buck變換器方案比較：方案1的優(yōu)點(diǎn)在于可以使用很少的元器件構(gòu)成輔助電源，但是效率較低。方案2的優(yōu)點(diǎn)在于效率高，可達(dá)90%，且?guī)лd能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是需要的元器件多，且成本較高。由于輔助電源要位單片機(jī)及其他芯片供電，會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的效率，所以采用方案2。2.2 整體方案經(jīng)過(guò)方案的對(duì)比和分析，總結(jié)出了整體的設(shè)計(jì)方案框圖，如下圖2.7所示。首先采用DC-DC變換器把12V的直流電壓升至52V；在DC-AC逆變器中

14、，為保證輸出真有效值為36V且無(wú)截止失真和飽和失真的正弦波電源信號(hào)，輸出電壓反饋采用SPWM信號(hào)脈寬調(diào)節(jié)的方式；輸出電壓使用AD637進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換后，由STM8單片機(jī)進(jìn)行ADC采樣后分析，并在LCD12864屏幕上顯示。各模塊分析將在單元模塊設(shè)計(jì)中介紹。圖2.7 整體框圖3. 單元模塊設(shè)計(jì)3.1 DC-DC變換器設(shè)計(jì)本DC-DC變換器采用Boost拓?fù)?，完整電路如圖X所示。PWM控制電路由UC3842及其外圍電路組成，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定輸出電壓。UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖。該調(diào)制器單端輸出，能直接驅(qū)動(dòng)雙極型的功率管或場(chǎng)效應(yīng)管。其主要優(yōu)點(diǎn)是其管腳效應(yīng)少，外圍電路簡(jiǎn)單

15、，電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%，工作頻率最高達(dá)500KHz，啟動(dòng)電流小于1mA，正常工作電流為5mA，并可利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的隔離。該芯片集成了振蕩器、具有高溫補(bǔ)償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測(cè)比較器、圖騰柱輸出電流、輸入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路以及PWM鎖存器電路。圖3.1 UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體Boost DC-DC變換器如圖3.2所示，主要包括自舉電路、PWM控制電路、以及電流采樣電路。圖3.2 DC-DC變換器3.2 DC-AC逆變器設(shè)計(jì)DC-AC逆變器采用兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片分別驅(qū)動(dòng)全橋的兩邊場(chǎng)效應(yīng)管，使其按SPWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替導(dǎo)通，輸出包絡(luò)與SPWM波相同，功率放大的正弦波信號(hào)。其中驅(qū)

16、動(dòng)芯片采用IR2110芯片。IR2110集成度高，可驅(qū)動(dòng)同一橋臂兩路，響應(yīng)快( ton /tof= 120/94 n s )，偏置電壓高(< 600 V )，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，而且其成本低，易于調(diào)試，并設(shè)有外部保護(hù)封鎖端口。尤其是上管驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電, 使得驅(qū)動(dòng)電源路數(shù)目較其他IC 驅(qū)動(dòng)大大減小，從而大大減小了控制變壓器的體積和電源數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。電路如圖X所示。圖3.3 IR2110 驅(qū)動(dòng)電路橋臂電路如圖3.4所示，場(chǎng)效應(yīng)管采用圖3.4 橋臂電路3.3 SPWM設(shè)計(jì)3.3.1 SPWM波的原理 在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來(lái)安

17、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。圖3.5 與正弦波等效的矩形脈沖序列波形3.3.2 實(shí)現(xiàn)方法一般情況下, SPWM的控制方案有兩種,即單極性調(diào)制法和雙極性調(diào)制法。在本設(shè)計(jì)中，采用了單極性調(diào)制方法。（1）雙極性調(diào)制方式雙極性調(diào)制時(shí)，逆變?nèi)珮螂娐返膶?duì)角功率管（S1/S4，S2/S3）同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷，兩組互補(bǔ)導(dǎo)通，所有功率管均為高頻開(kāi)關(guān)。如圖3.4所示，每發(fā)生一次開(kāi)關(guān)，逆變橋的輸出電壓UAB為正輸入電壓或負(fù)輸入電壓，從而在輸出電壓的

18、半個(gè)周期內(nèi)，UAB在+Ud和-Ud電平之間切換，即+1/-1（或-1/+1）切換方式，整個(gè)輸出電壓周期內(nèi)得到兩態(tài)的輸出電壓波形。(2）單極性調(diào)制方式傳統(tǒng)的單極性調(diào)制方式原理如圖3.5所示，逆變橋的兩個(gè)橋臂分別通過(guò)三角載波c與正負(fù)正弦調(diào)制信號(hào)（m、-m）相交截分開(kāi)調(diào)制，當(dāng)對(duì)角功率管開(kāi)通時(shí)（S1/S4或S2/S3），逆變橋輸出UAB為+Ud或-Ud；當(dāng)橋臂上部?jī)芍还β使埽⊿1、S2）或下部?jī)芍还β使荛_(kāi)通時(shí)，逆變橋的輸出UAB為零。這樣，每發(fā)生一次開(kāi)關(guān)，輸出電壓UAB在0與+Ud或0與-Ud之間變化，從而在輸出電壓的半個(gè)周期內(nèi)，UAB為+Ud和0或-Ud和0，即+1/0（0/+1）或-1/0（0/-

19、1）切換方式，整個(gè)輸出電壓周期內(nèi)所得到三態(tài)的輸出電壓波形。圖3.6 雙極性SPWM生成機(jī)制圖3.7 單極性SPWM生成機(jī)制本設(shè)計(jì)采用STM32產(chǎn)生SPWM波形，使用定時(shí)器查表的方法，產(chǎn)生四通道兩兩互補(bǔ)的SPWM信號(hào)，如下圖3.8所示。圖3.8 STM32產(chǎn)生的SPWM波3.4 真有效值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)AD637是一款完整的高精度、單芯片均方根直流轉(zhuǎn)換器，可測(cè)量的信號(hào)有效值高達(dá)7V，精度優(yōu)于0.5%，3dB帶寬為8MHz，可對(duì)輸入信號(hào)的電平以dB形式表示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。圖3.9 AD637內(nèi)部結(jié)構(gòu)AD637應(yīng)用電路如圖3.10 所示。芯片采用雙5V供電，即轉(zhuǎn)化為有效值輸出為04V,能供單

20、片機(jī)直接采樣。圖3.10 真有效值轉(zhuǎn)換電路3.5 輔助電源設(shè)計(jì)輔助電源采用Buck拓?fù)涞腄C-DC變換器，利用輸入的12V直流電源降壓產(chǎn)生5V的直流電源，給STM8單片機(jī)、STM32等芯片供電。電路如圖3.11所示。圖3.11 Buck電路4. 控制程序設(shè)計(jì)4.1 STM8控制及狀態(tài)顯示程序流程開(kāi)始硬件初始化液晶屏框架顯示按鍵調(diào)節(jié)頻率？改變頻率值FAD取樣電壓、電流、頻率、功率等工作狀態(tài)顯示結(jié)束圖5.1 STM8控制及狀態(tài)顯示程序流程圖4.2 STM32 SPWM控制程序流程開(kāi)始硬件初始化開(kāi)始逆變按鍵調(diào)節(jié)頻率？更新SPWM頻率F使能SPWM輸出設(shè)置SPWM控制參數(shù)結(jié)束關(guān)機(jī)指令？5. 系統(tǒng)調(diào)試5

21、.1 軟件調(diào)試（1）MDK軟件仿真：通過(guò)軟件仿真中的邏輯分析儀測(cè)試STM32輸出的SPWM信號(hào)。STM32通過(guò)定時(shí)器查表的方式，產(chǎn)生四路兩兩互補(bǔ)的SPWM信號(hào)，如圖5.1所示。圖5.1 SPWM軟件仿真波形5.2 硬件調(diào)試DC-AC逆變器采用兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片分別驅(qū)動(dòng)全橋的兩邊場(chǎng)效應(yīng)管，使其按SPWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替導(dǎo)通，輸出包絡(luò)與SPWM波相同，功率放大的正弦波信號(hào)。通過(guò)示波器觀察輸出信號(hào)，如圖5.2所示。圖5.2 SPWM示波器波形6. 系統(tǒng)功能及指標(biāo)參數(shù)6.1 測(cè)試儀器測(cè)試中使用的儀器如表6.1所示。序號(hào)名稱型號(hào)規(guī)格數(shù)量1UNI-T四位萬(wàn)用表UT56 22LONGWEI雙路穩(wěn)壓電源32V，3A 13MATRIX模擬雙蹤示波器20M，MOS-620CH14電參數(shù)測(cè)量?jī)xPM99011表6.16.2 測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)論6.2.1 輸出電壓波形如圖6.2所示，經(jīng)SPWM調(diào)制，輸出的電壓信號(hào)無(wú)明顯失真，為標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)。結(jié)論：輸出波形符合第一項(xiàng)基本要求。6.2.2 輸出信號(hào)電壓經(jīng)測(cè)試，輸出信號(hào)在有負(fù)載和無(wú)負(fù)載的情況下，輸出電壓有效值接近36V，頻率值穩(wěn)定為50Hz結(jié)論：輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定為50Hz，符合第二項(xiàng)基本要求。6.2.3 逆變器效率6.2.4 過(guò)壓、欠壓保護(hù)，輸出過(guò)流保護(hù)本設(shè)計(jì)有輸入過(guò)壓、欠壓保護(hù)和輸出過(guò)流保護(hù)，經(jīng)測(cè)試能正常工作。6.2.5 電壓、電流、頻率、功率測(cè)量及顯示誤差經(jīng)測(cè)試，