單相雙極性SPWM逆變器設(shè)計

指導(dǎo)教師：彭華單相雙極性SPWM

調(diào)制器的設(shè)計學(xué)院：信息科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)生：彭華學(xué)號：0909082415

近年來，隨著能源危機(jī)的日趨嚴(yán)重，電氣工程師一直致力改善供電質(zhì)量，歐美約有70%的電能經(jīng)電力電子裝置處理后使用，節(jié)約能源20%。到2000年處理后使用的能源已達(dá)到90%。目前，世界上的幾個主要的大電氣公司所生產(chǎn)的逆變器.基本上都是采用PWM調(diào)制技術(shù)，而在大功率方面，考慮到開關(guān)損耗的原因，基本上采用階梯波疊加的調(diào)制技術(shù)。80年代后期，電力電子技術(shù)在國內(nèi)開始使用，隨著改革開放的步伐加速，技術(shù)也越來越成熟，盡管如此，我國經(jīng)電力電子技術(shù)處理后使用的電能不足30%，普及率遠(yuǎn)低于國外，而其中的梯形波PWM技術(shù)雖有相關(guān)應(yīng)用，卻也未大范圍推廣。系統(tǒng)的背景及意義本文提出的PWM型逆變器用梯形波代替正弦波調(diào)制信號,是一種新型脈寬調(diào)制技術(shù),梯形波作為調(diào)制信號，三角波為載波，以兩波的交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)PWM控制。正弦PWM逆變主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，忽視了直流電壓的利用率，其直流電壓利用率在最理想的條件下僅為86.6%，實(shí)際應(yīng)用中更低。梯形波作調(diào)制信號與用正弦波作調(diào)制信號相比較，它能使逆變器輸出的PWM波形中基波分量幅值高，可以有效地提高直流電壓利用率。在電機(jī)傳動領(lǐng)域中我國電機(jī)每年要消耗62%的電能。而利用梯形脈寬調(diào)制技術(shù)不僅能給電機(jī)提供良好的調(diào)速性能，還能大大節(jié)約能源，在我國有著廣闊的市場前景，對于目前國家提出的節(jié)能減排具有積極意義。系統(tǒng)的背景及意義論文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容第一部分單相逆變器SPWM調(diào)制電路的基本結(jié)構(gòu)圖PWM調(diào)制技術(shù)及雙極性調(diào)制第二部分硬件設(shè)計單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計驅(qū)動電路設(shè)計顯示電路設(shè)計論文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容第三部分雙極性調(diào)制算法算法子程序設(shè)計顯示子程序設(shè)計主程序設(shè)計第四部分?jǐn)?shù)據(jù)分析總結(jié)7-6SPWM逆變電路及其原理分析工作時上下管通斷互補(bǔ)。單相橋式PWM逆變電路調(diào)制控制信號的產(chǎn)生一般常采用指令電壓與三角波比較獲得。根據(jù)對IGBT在一個開關(guān)周期調(diào)制控制的方法不同，輸出電壓具有不同的電平形式。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud指令信號電壓Ur稱為調(diào)制信號電壓（波），它的頻率決定了輸出電壓、電流的基波頻率。三角波信號電壓Uc稱為載波電壓，它的頻率決定了功率管的調(diào)制開關(guān)頻率。單極性SPWM控制方式（單相橋逆變）負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，V1、V4門極正，但io為負(fù)，io從VD1和VD4流過，V1V4承受反壓，無電流；uo=Ud

。V4關(guān)斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0。uo總可得到Ud和零兩種電平。uo負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)啵琕3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交點(diǎn)時刻控制V3/V4的通斷。ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)?。表示uo的基波分量雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）ur半周期內(nèi)，三角波正負(fù)對稱，輸出PWM波有正有負(fù)，其幅值有±Ud兩種極性的電平。ur正負(fù)半周，各器件的控制規(guī)律相同。ur>uc時，V1和V4正驅(qū)動，V2和V3關(guān)斷。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud。ur<uc時，V2和V3正驅(qū)動，V1和V4關(guān)斷。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。一周期內(nèi)輸出平均電壓為(2a-1)Ud。a=0.5時輸出電壓平均值為0。圖7-6雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud7-9單、雙極式控制方式的比較圖7-5雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖7-5單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制，由于對開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。單相雙極式SPWM逆變電路載波雙極性對稱三角波

uc，頻率fc調(diào)制波

正弦波ur,頻率f調(diào)制比頻率比脈寬隨時間按正弦規(guī)律變化單相雙極式SPWM逆變電路輸出電壓基波阻感性負(fù)載電流基波滯后1，4驅(qū)動，2，3關(guān)斷，U0>0電流負(fù)，二極管續(xù)流，1，4管雖有驅(qū)動但被反壓嵌位不導(dǎo)通電感釋放能量，電流幅值下降2，3驅(qū)動，1，4關(guān)斷，U0<0,2,3導(dǎo)通，電流負(fù)向上升，電感吸收能量2，3驅(qū)動，1，4關(guān)斷，U0>0二極管1，4續(xù)流直到負(fù)電流降為0。V1，4負(fù)嵌位解除，轉(zhuǎn)入導(dǎo)通，電流變正上升。電源端輸出電流為負(fù)，吸收回饋能量電源輸出正電流，向逆變器輸送能量載波雙極性對稱三角波

uc，頻率fc調(diào)制波

正弦波ur,頻率f調(diào)制比頻率比

脈寬隨時間按正弦規(guī)律變化單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計本設(shè)計采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，能有效輸出兩路PWM波形，通過軟硬件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)多功能的電機(jī)控制。STC12C5A60S2單片機(jī)有60K的Flash程序存儲字節(jié)，36個I/O口，具有兩路PWM輸出、8路10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、每個I/O能設(shè)置成弱上拉、強(qiáng)上拉、高阻、開漏模式，I/O在弱上拉時輸出電流為0.15~0.25mA。該單片機(jī)內(nèi)置上電復(fù)位電路，性價比高，抗靜電，抗干擾，低功耗，低成本。STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖6所示：STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)主程序設(shè)計STC12C5A60S2單片機(jī)的端口、SPWM輸出的占空比、ADC、1602液晶顯示屏都經(jīng)過初始化后，繼電器會延時一秒合上，經(jīng)過數(shù)字平均濾波，會檢測電流值，當(dāng)電流值大于2A時，將會關(guān)閉所有MOS管，保護(hù)調(diào)制器不被燒壞。當(dāng)流值在正常值時，會根據(jù)ADC3的值輸出與之成正比的SPWM波形。主程序流程圖如下圖所示：主程序主程序流程圖設(shè)計開始單片機(jī)端口、PWM、ADC、1602初始化繼電器延時1秒查詢通道0、3的ADC值數(shù)字濾波關(guān)斷所有MOS管ADC0>12(電流大于2A)根據(jù)ADC3的數(shù)字輸出與之成正比的SPWM1602顯示當(dāng)前頻率1602顯示錯誤信息NOYES數(shù)據(jù)分析單片機(jī)輸出SPWM波形50HZ時測試結(jié)果如下圖所示。算法計算頻率為50HZ,實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果頻率為50.1337HZ,計算值與實(shí)際值偏差不大。數(shù)據(jù)分析單片機(jī)輸出SPWM波形20HZ時測試結(jié)果如下圖所示。算法計算頻率為20HZ,實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果頻率為20.8572HZ,計算值與實(shí)際值偏差不大。數(shù)據(jù)分析單片機(jī)輸出SPWM波形97HZ時測試結(jié)果如下圖所示。算法計算頻率為97HZ,實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果頻率為96.7070HZ,計算值與實(shí)際值偏差不大。系統(tǒng)仿真結(jié)論多方測試結(jié)果可以看出，該調(diào)制器能輸出20~100HZ的正弦波電流。并且實(shí)際值與理論值偏差非常小，說明單相雙極性SPWM調(diào)制器的性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的要求。另外本調(diào)制器外接LCD顯示及按鍵，可手動調(diào)節(jié)頻率，并顯示。同時該系統(tǒng)具有過流保護(hù)功能，可以在輸出大于2A電流的情況下切斷交流輸出，大大增加了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。論文結(jié)論該調(diào)制器的設(shè)計全面闡述了逆變器的基本結(jié)構(gòu)、驅(qū)動原理以及軟硬件的設(shè)計。本文所設(shè)計的基于STC12C5A60S2單片機(jī)的調(diào)制器具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、保護(hù)功能完善等特點(diǎn)。主要實(shí)現(xiàn)了如下功能：(1)采用STC12C5A60S2作為控制核心，加強(qiáng)智能控制；(2)安全