單相正弦波逆變電源

1、大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計課題:設(shè)計成員:指導(dǎo)老師 :組 別:目錄摘要 . 2 1. 方案論證 . 2 1.1. 方案一 .2 1.2. 方案二 .21.3. 最終方案 .32. 硬件設(shè)計 .3 2.1. DC-DC 升壓模塊 .4 2.2. MOS 逆變模塊 .4 2.3. MOS 驅(qū)動模塊 .5 2.4. 系統(tǒng)檢測模塊 .6 2.5. 系統(tǒng)保護模塊 .7 2.6. 系統(tǒng)控制模塊 .8 2.7. 顯示模塊 .82.8. 系統(tǒng)溫度檢測模塊 .93. 軟件設(shè)計 .10 3.1. 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

2、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 SPWM1. 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

3、, 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(yán)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(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 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

4、環(huán)系統(tǒng)來控制該模塊的輸 出電壓就能夠達到準(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(dāng)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

5、設(shè)計采用方案二。1.1. 方案整體框圖 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: 電壓檢測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(dǎo)通,而同一側(cè)的半橋的上下兩開關(guān)管則是交替 導(dǎo)通,將直流電壓變成成幅值為 in V

6、 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 out V 的改變。電路如下圖所示:5 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(fù)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: 電壓檢測電壓檢測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: 100電流檢測交流檢測部分由于輸出為交

7、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 :6 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。72.6. 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。8 Head

8、er 132.8. 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。93. 軟件設(shè)計 3.1. 軟件系統(tǒng)流程圖 開始 系統(tǒng)時鐘設(shè)置 延時初始化 初始化LED 串口初始化 初始化AD 初始化LCD 初始化編碼開關(guān) 初始化溫度傳感器 初始化SPWM 掃描編碼開關(guān)按鍵 切屏與調(diào)值轉(zhuǎn)換 編碼開關(guān)轉(zhuǎn)向判斷 增減相應(yīng)值 先做相應(yīng)計算再 LCD屏幕顯示 結(jié)束 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(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

9、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。 10 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(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,可以準(zhǔn)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

10、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(dāng)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(fù)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(yīng)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。 11 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