正弦波逆變電源的設(shè)計

正弦波逆變電源的設(shè)計

摘要此正弦波逆變電源的設(shè)計，用10-14.5V的直流電作為輸入電壓，輸出電壓為36V,頻率為50HZ，額定滿載輸出功率為50W的正弦波交流電。該正弦波逆變電源以TMS320芯片為控制核心，由Boost升壓電路和全橋逆變電路構(gòu)成系統(tǒng)主電路，逆變部分采用SPWM調(diào)節(jié)方式，利用閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制輸出電壓。在控制電路上，以TMS320控制驅(qū)動電路，驅(qū)動DC/DC變換電路以及DC/AC變換電路，TMS320還控制SPWM的計算和實時電壓、電流采樣運算；在保護上，電路具有欠壓、過壓、過流保護、輸出短路自恢復(fù)和頻率可調(diào)，以及輸出電壓可調(diào)等功能。其系統(tǒng)效率高，性能穩(wěn)定，該電源很好的完成了各項指標(biāo)，輸出功率達到49.6HZ,THD為1.6%，逆變效率達到93%,欠壓保護點8.9V,過壓保護點16.2V；當(dāng)欠壓時，輸出關(guān)閉。關(guān)鍵詞：正弦波；SPWM；升壓；逆變器Researchonthesingle-phasesinewaveinverterpowerAbstractThisdesignofsinewaveinverter,with10to14.5VDCastheinputvoltage.ThesinewaveACoutputvoltageis36V,thefrequencyis50HZ,anditsratedfullloadoutputpoweris50W.ThesinewaveinverterisusingTMS320chipasthecontrolcore.ItssystemmaincircuitisconsistoftheBoostcircuitandfull-bridgeinvertercircuit,TheinverterpartadoptsSPWMadjustmentmethod,anduseclosed-loopfeedbacktocontroltheoutputvoltage.Atthecontrolcircuit,withTMS320tocontroldrivecircuit,drivingDC/DCconvertercircuitandDC/ACconvertercircuit,TMS320alsocontrolsSPWMcomputingandreal-timevoltageandcurrentsamplingoperation.Intheprotection,thecircuithasundervoltage,overvoltage,over-currentprotection,outputshortcircuitself-recoveryandfrequencyisadjustable,andtheoutputvoltageisadjustablefunctions.Itssystemhashighefficiencyandstableperformance.thepowerfinisheseveryindicatorsverywell,theoutputpowerreaches49.6HZ,THDreaches1.6%,inverterefficiencyreaches93%,theundervoltageprotectionpointreaches8.9V,overvoltagepointreaches16.2V;whenitisovervoltage,theoutputisoff.Keywords:sinewave;SPWM；boost；inverter目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要 I\o"CurrentDocument"Abstract II\o"CurrentDocument"第一章緒論 1\o"CurrentDocument"課題背景 1\o"CurrentDocument"研究現(xiàn)狀及趨勢 2\o"CurrentDocument"逆變電源的概述 4電源的特點 4逆變電源的概念 4\o"CurrentDocument"逆變原理 5逆變器的性能指標(biāo)與分類 5逆變電路的分類 5逆變電路用途 5逆變電路的工作原理 6\o"CurrentDocument"1.5課題研究的內(nèi)容及完成的工作 6\o"CurrentDocument"1.6本章小結(jié) 7\o"CurrentDocument"第二章主電路的設(shè)計 8\o"CurrentDocument"系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 8\o"CurrentDocument"系統(tǒng)主電路方案的選擇 8\o"CurrentDocument"逆變器主電路的拓撲選擇 9\o"CurrentDocument"電源系統(tǒng)主控制器的選擇 10TMS320F28027簡介 10TMS320F28027器件特性 11\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 13\o"CurrentDocument"第三章分析與計算 13\o"CurrentDocument"DC-DC變換電路 13\o"CurrentDocument"DC-AC變換電路 15\o"CurrentDocument"LC濾波電路 16\o"CurrentDocument"采樣電路 17\o"CurrentDocument"控制程序設(shè)計 18\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 19\o"CurrentDocument"第四章測試實驗 19\o"CurrentDocument"欠壓、過壓、過流、短路等測試 19\o"CurrentDocument"頻率調(diào)節(jié)測試 21\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 21\o"CurrentDocument"第五章SPWM調(diào)制原理 21\o"CurrentDocument"SPWM的概念 22\o"CurrentDocument"單極性SPWM法 22\o"CurrentDocument"雙極性SPWM法 22\o"CurrentDocument"實施SPWM的基本要求 22\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 23\o"CurrentDocument"第六章總結(jié) 23第一章緒論1.1課題背景隨著現(xiàn)代社會電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，人類生活中幾乎每一件事情都要用到電子設(shè)備，一切電子設(shè)備都要用到電源，依靠電源提供電量。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整正弦波逆變電源是連續(xù)控制的線性正弦波逆變電源。這種傳統(tǒng)正弦波逆變電源技術(shù)比較成熟,并且已有大量集成化的線性正弦波逆變電源模塊,具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等優(yōu)點、但其通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都不得和很大的濾波器。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右。另外,由于調(diào)整管上消耗較大的功率,所以需要采用大功率調(diào)節(jié)器整管并裝有體積很大的散熱器,很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的要求。在近半個多世紀的發(fā)展過程中，正弦波逆變電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源，并廣泛的應(yīng)用，正弦波逆變電源技術(shù)進入快速發(fā)展期。目前市場上正弦波逆變電源中功率管多采用雙極型晶體管，開關(guān)頻率可達幾十千赫；采用MOSFET的正弦波逆變電源轉(zhuǎn)抽象頻率可達幾百千赫。為提高開關(guān)頻率，必須采用高速開關(guān)器件。在一定范圍內(nèi)，開關(guān)頻率的提高不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，高頻化是正弦波逆變電源的主要發(fā)展方向。高可靠性——正弦波逆變電源的使用的元器件比連續(xù)工作電源少數(shù)十倍，因此提高的可靠性。所以，要從設(shè)計方面著眼，盡可能使較少的器件，提高集成度。這樣不但解決了電路復(fù)雜、可靠性差的問題，也增加了保護等功能，簡化了電路，提高了平均無故障時間。正弦波逆變電源的發(fā)展從來都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)的?？傊?，人們在正弦波逆變電源技術(shù)領(lǐng)域里，邊研究低損耗回路技術(shù)，邊開發(fā)新型元器件，兩者相互促進并推動著正弦波逆變電源以每年過兩位數(shù)的市場增長率向小型、薄型、高頻、低噪聲以及高可靠性方向發(fā)展。1.2研究現(xiàn)狀及趨勢現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使逆變電源廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，同時對逆變電源輸出電壓波形質(zhì)量提出了越來越高的要求。逆變電源輸出波形質(zhì)量包括穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好以及負載適應(yīng)性強。這種結(jié)構(gòu)簡單動靜態(tài)性能優(yōu)良和負載適應(yīng)性強的逆變電源，一直是研究者在逆變電源方面追求的目標(biāo)。逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)進行電能變換的裝置，它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓恒頻的交流輸出。逆變電源技術(shù)是一門綜合性的專業(yè)技術(shù)，它橫跨電力、電子、微處理器及自動控制等多學(xué)科領(lǐng)域，是目前電力電子產(chǎn)業(yè)和科研的熱點之一。逆變電源廣泛應(yīng)用于航空、航海、電力、鐵路交通、郵電通信等諸多領(lǐng)域。逆變電源的發(fā)展是和電力電子器件的發(fā)展聯(lián)系在一起的，器件的發(fā)展帶動著逆變電源的發(fā)展。逆變電源出現(xiàn)于電力電子技術(shù)飛速發(fā)展的20世紀60年代，到目前為止，它已經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。第一代逆變電源是采用晶閘管（SCR）作為逆變器的開關(guān)器件，稱為可控硅逆變電源?？煽毓枘孀冸娫吹某霈F(xiàn)雖然可以取代旋轉(zhuǎn)型變流機組，但由于SCR是一種沒有自關(guān)斷能力的器件，因此必須增加換流電路來強迫關(guān)斷SCR，但換流電路復(fù)雜、噪聲大、體積大、效率低等原因卻限制了逆變電源的進一步發(fā)展。第二代逆變電源是采用自關(guān)斷器件作為逆變器的開關(guān)器件。自20世紀70年代后期，各種自關(guān)斷器件相運而生它們包括可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。自關(guān)斷器件在逆變器中的應(yīng)用大大提高了逆變電源的性能，逆變器采用自關(guān)斷器件的好處是：簡化了主電路。由于自關(guān)斷器件不需要換流電路，因而主電路得以簡化、成本降低、可靠性提高；提高了性能。由于自關(guān)斷器件的使用，使得開關(guān)頻率得以提高，從而使逆變橋輸出電壓中低次諧波含量大大降低，因而使輸出濾波器的尺寸得以減小，逆變電源的動態(tài)特性及對非線性負載的適應(yīng)性也得以提高。在自關(guān)斷器件當(dāng)中，IGBT以其開關(guān)頻率高、通態(tài)壓降小、驅(qū)動功率小、模塊的電壓電流等級高等優(yōu)點已成為中小功率逆變器的首選器件。IGBT逆變電源已成為中小型逆變電源的主流。第二代逆變電源在控制上普遍采用帶輸出電壓有效值或平均值反饋的SPWM控制技術(shù)。圖1-1是第二代逆變電源典型控制方法示意圖，輸出電壓有效值或平均值反饋控制使逆變電源輸出電壓幅值穩(wěn)態(tài)無差。圖1-1單一的電壓有效值反饋控制方法示意圖第二代逆變電源所采用的控制方法具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)的優(yōu)點，但由于它所采用的SPWM控制技術(shù)只注重如何通過恰當(dāng)設(shè)計開關(guān)模式來實現(xiàn)逆變器輸出頻譜的優(yōu)化，沒有考慮信號傳輸過程中開關(guān)點的變化及負載的影響，所以存在以下缺點：對非線性負載的適應(yīng)性不強。當(dāng)逆變電源輸出帶非線性負載時，負載電流中的低次諧波電流將流過電源的內(nèi)阻，引起輸出電壓波形畸變；死區(qū)時間的存在將使SPWM波中含有不易濾掉的低次諧波，使輸出電壓波形發(fā)生畸變；動態(tài)特性不好。負載突變時輸出電壓調(diào)整時間長。之所以出現(xiàn)這種情況，是因為系統(tǒng)中僅存在電壓平均值或有效值反饋，而沒有瞬時值反饋；給定電壓與輸出電壓之間的相位差受負載影響較大，在三相電源中，三相輸出之間的相差不易滿足120°要求。第三代逆變電源采用了實時反饋控制技術(shù)，使逆變電源的性能得到提高。實時反饋控制技術(shù)是針對第二代逆變電源對非線性負載的適應(yīng)性不強及動態(tài)特性不好的缺點提出來的，它是近十年來發(fā)展起來的新型電源控制技術(shù)，目前仍在不斷地完善和發(fā)展之中，實時反饋控制技術(shù)的采用使逆變電源的性能有了質(zhì)的飛躍。實時反饋控制技術(shù)多種多樣，主要有以下幾種：重復(fù)控制諧波補償控制、無差拍控制、單一的電壓瞬時值控制、帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制。其中以第五種控制方法因?qū)崿F(xiàn)方便，逆變電源動態(tài)性能優(yōu)越和對負載的適應(yīng)性強等優(yōu)點而被廣泛采用。逆變電源的概述電源的特點常見的電源是干電池（直流電）與家用的110V-220V交流電源。電源自“磁生電”原理，由水力、風(fēng)力、海潮、水壩水壓差、太陽能等可再生能源及燒煤炭、油渣等產(chǎn)生電力來源。根據(jù)輸入及輸出電壓形式的不同，包括：交流-交流（AC/AC）變換器：變頻器、變壓器交流-直流（AC/DC）變換器：整流器直流-交流（DC/AC）變換器：逆變器流-直流（DC/DC）變換器：電壓變換器、電流變換器逆變電源的概念逆變電源即是把直流電轉(zhuǎn)換成交流電的方法。逆變電源有兩種，一種是有源逆變（交流側(cè)接有電源）；一種是無源逆變（交流側(cè)直接接負載）。逆變器主要分兩類，一類是正弦波逆器，另一類是方波逆變器。正弦波逆變器輸出的是同我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娋W(wǎng)一樣甚至更好的正弦波交流電，因為它不存在電網(wǎng)中的電磁污染。方波逆變器輸出的則是質(zhì)量較差的方波交流電，其正向最大值到負向最大值幾乎在同時產(chǎn)生，這樣，對負載和逆變器本身造成劇烈的不穩(wěn)定影響。同時，其負載能力差，僅為額定負載的40%-60%，不能帶感性負載。如所帶的負載過大，方波電流中包含的三次諧波成分將使流入負載中的容性電流增大，嚴重時會損壞負載的電源濾波電容。針對上述缺點，近年來出現(xiàn)了準(zhǔn)正弦波（或稱改良正弦波、修正正弦波、模擬正弦波等等）逆變器，其輸出波形從正向最大值到負向最大值之間有一個時間間隔，使用效果有所改善，但準(zhǔn)正弦波的波形仍然是由折線組成，屬于方波范疇，連續(xù)性不好?？偫▉碚f，正弦波逆變器提供高質(zhì)量的交流電，能夠帶動任何種類的負載，但技術(shù)要求和成本均高。準(zhǔn)正弦波逆變器可以滿足我們大部分的用電需求，效率高，噪音小，售價適中，因而成為市場中的主流產(chǎn)品。方波逆變器的制作采用簡易的多諧振蕩器，其技術(shù)屬于50年代的水平，將逐漸退出市場。逆變原理逆變器的性能指標(biāo)與分類有源逆變1）定義：將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去。2）應(yīng)用：直流電機的可逆調(diào)速、繞線型異步電機的串級調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。無源逆變1）定義：逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到負載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負載2）應(yīng)用：它在交流電機變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。性能指標(biāo)1） 諧波系數(shù)HF：諧波分量有效值同基波分量有致值之比。2） 總諧波系數(shù)：總諧波系數(shù)表征了一個實際波形同其基波的接近程度3） 逆變效率4） 單位重量的輸出功率:衡量逆變器輸出率密度的指標(biāo)。5） 電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）逆變電路的分類（1）、根據(jù)輸入直流電源特點分類電壓型：輸人端并接有大電容，輸入直流電源為恒壓源，逆變器將直流電壓變換成交流電壓。電流型：輸入端串接有大電感，輸入直流電源為恒流源，逆變器將輸入的直流電流變換為交流電流輸出。（2）、根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點分類半橋式逆變電路；全橋式逆變電路；推換式逆變電路；其他形式：如單管晶體管逆變電路。逆變電路用途逆變器的用途十分廣泛：1、可以做成變頻變壓電源（VVVF），主要用于交流電動機調(diào)速。

2、 可以做成恒頻恒壓電源（CVCF）,其典型代表為不間斷電源（UPS）、航空機載電源、機車照明，通信等輔助電源也要用CVCF電源。3、 可以做成感應(yīng)加熱電源，例如中頻電源，高頻電源等。逆變電路的工作原理1、 主要功能:將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負載。2、 工作原理：開關(guān)Tl、T4閉合，T2、T3斷開：u0=Due；開關(guān)Tl、T4斷開，T2、T3閉合：u0=-Due;當(dāng)以頻率厶交替切換開關(guān)Tl、T4和T2、T3時，則在電阻R上獲得如圖2-1（b）所示的交變電壓波形，其周期Ts=1/fS，這樣，就將直流電壓E變成了交流電壓u0。u0含有各次諧波，如果想得到正弦波電壓，則可通過濾波器濾波獲得Ts圖l-2單相橋式逆變電路工作原理圖2-1中主電路開關(guān)T1-T4，它實際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型。逆變電路中常用的開關(guān)器件有快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）。1.5課題研究的內(nèi)容及完成的工作本課題主要設(shè)計單相正弦波逆變電路設(shè)計，其主要內(nèi)容包括：正弦波逆變電源在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，熟悉電壓型逆變器的特點及工作原理和控制方式。采用逆變技術(shù)的目的是為了獲取不同穩(wěn)定或變化形式的交流正弦波。在目前的逆變技術(shù)中主要用于不間斷電源系統(tǒng)，交流電動機變頻調(diào)速，太陽能、風(fēng)力發(fā)電，車載逆變電源，電子鎮(zhèn)流器等。對于電壓型逆變器：直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)大電容器，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗無關(guān)；當(dāng)交流側(cè)為阻感性負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。對于本課題采用的是單相全橋逆變電路，把橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180°，對于控制采用的是SPWM控制。設(shè)計逆變電源的主電路、驅(qū)動電路和控制電路，給出各部分電路的詳細設(shè)計過程。本設(shè)計主電路采用四個IRFS4321成的單相全橋逆變電路，驅(qū)動電路采用的是具有獨立的低端和高端輸入通道，DC-AC變換電路由高性能數(shù)字信號處理器TMS320發(fā)出SPWM信號，經(jīng)驅(qū)動電路將SPWM脈寬調(diào)制信號功率放大來驅(qū)動逆變橋臂MOS管。系統(tǒng)采用具有自舉技術(shù)的集成驅(qū)動電路NCP5181,NCP5181應(yīng)用自舉技術(shù)來實現(xiàn)同一集成電路可同時輸出兩個驅(qū)動逆變橋中高端和低端的通道信號。正弦波逆變電源輸出波形無畸變，且能實現(xiàn)調(diào)頻和調(diào)幅功能。利用LC濾波裝置把高頻濾掉，留下適合的低頻頻率。通過調(diào)節(jié)SPWM中調(diào)制波的幅值和載波的頻率來調(diào)節(jié)輸出信號的幅值和頻率。本次設(shè)計的正弦波逆變電源，它是以TMS320芯片為控制核心，由Boost升壓電路和全橋逆變電路構(gòu)成系統(tǒng)主電路，核心是逆變技術(shù)，逆變部分采用的事SPWM調(diào)節(jié)方式，利用閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制輸出電壓。完成的工作：主要是要寫出完整的電子版論文，進行實驗論證，測試數(shù)據(jù)，進行計算。1.6本章小結(jié)本章主要是介紹了研究課題的背景，研究這個課題的意義所在。而且還介紹了目前逆變電源的研究現(xiàn)狀，并根據(jù)它的現(xiàn)狀分析來探討它的未來發(fā)展方向，介紹了逆變電源的概念以及逆變的原理。最后，說明了本次設(shè)計所要研究的內(nèi)容，以及要完成的目標(biāo)等。第二章主電路的設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)輸入的低壓直流通過Boost升壓斬波電路升壓，再通過全橋逆變電路輸出PWM方波，經(jīng)LC濾波后生成正弦波，其逆變部分采用SPWM調(diào)制方式，對輸入、輸出電流電壓采樣進行雙閉環(huán)控制，使其達到設(shè)計要求，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)主電路方案的選擇方案一：先采用高頻升壓變壓器將輸入的低壓直流電升壓，再經(jīng)過SPWM逆變技術(shù)將其逆變成交流電，如圖2-2。其優(yōu)點是效率高、噪聲低、輸入電壓范圍很寬。

DC-rC半QrDC-rC半Qr圖2-2升壓逆變裝置原理圖方案二：先直接將輸入的低壓直流電經(jīng)過逆變裝置逆變成交流電，然后再經(jīng)過升壓變壓器升至36V的交流電，如圖2-3。其優(yōu)點是逆變環(huán)節(jié)開關(guān)管的損耗較小，電路簡單，但電路的效率較低。DC圖2-3逆變再升壓原理圖通過上面兩個方案分析對比，為了提高系統(tǒng)的效率和實現(xiàn)設(shè)計的可行性，本設(shè)計選擇方案一。2.3逆變器主電路的拓撲選擇方案一：如圖2-4，半橋逆變電路使用的器件很少，驅(qū)動簡單，但輸出交流電壓的幅值僅為Vd/2，且橋臂輸出諧波含量較大，需要高的開關(guān)頻率和濾波器，一般用于中小功率等級逆變電路。

RR方案二：如圖2-5，全橋逆變電路相對復(fù)雜，但控制性靈活。此外全橋逆變電路由于橋臂輸出電壓存在零電壓的續(xù)流狀態(tài)，可實現(xiàn)倍頻，在較低的開關(guān)頻率下可實現(xiàn)更好的諧波控制。因此選擇全橋逆變電路作為DC-AC變換電路的拓撲結(jié)構(gòu)。RR電源系統(tǒng)主控制器的選擇為了實現(xiàn)復(fù)雜的控制策略，提高系統(tǒng)的抗干擾能力及其可靠性，使系統(tǒng)具有優(yōu)良的一致性，方便系統(tǒng)的升級等優(yōu)點，系統(tǒng)采用全數(shù)字控制方式。在數(shù)字控制處理器的選擇時需要充分的考慮處理器的運算處理能力、處理器字長、A\D采樣精度及采樣速度、通信接口等諸多方面。綜合考慮以上各個方面因素后，系統(tǒng)的數(shù)字控制器采用TMS320F28027。TMS320F28027簡介TMS320系列DSP是軟件可編程器件，具有通用微處理器所具有的的方便靈活的特點。其基本特點有：哈佛結(jié)構(gòu)，流水線操作，專用的硬件乘法器，特殊的DSP指令，快速的指令周期。這些特點使得TMS320系列DSP可以實現(xiàn)快速的DSP運算，并使大部分運算能夠在一個指令周期完成。它應(yīng)用于：信號處理、通信、語音、圖形圖像、軍事、儀器儀表、自動控制、醫(yī)療、家用電器等。TMS320F28027器件特性F2802xPiccolo?系列微控制器為C28x?內(nèi)核供電，此內(nèi)核與低引腳數(shù)量器件中的高集成控制外設(shè)相耦合。該系列的代碼與以往基于C28x的代碼相兼容，并且提供了很高的模擬集成度。一個內(nèi)部電壓穩(wěn)壓器允許單一電源軌運行。對HRPWM模塊實施了改進，以提供雙邊緣控制（調(diào)頻）。增設(shè)了具有內(nèi)部10位基準(zhǔn)的模擬比較器，并可直接對其進行路由以控制PWM輸出。ADC可在0V至3.3V固定全標(biāo)度范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)換操作，并支持公制比例VREFHI/VREFLO基準(zhǔn)。ADC接口專門針對低開銷/低延遲進行了優(yōu)化。

類鯽2$Q174&0MHz^封裳類型33'JIIWDA館啪腳PTTSSOP LQFP拒警闿期1B.67HS片牝厲存O6U宇)32KH飆SARAM門弓拉宇〕6K<fJ'l'^N/rfSARAIWOTP燒怖出我引導(dǎo)ROW(flKX16)支持-KfflOflS(OTP)ROM:16i-.r:-IK 「BPWM輸出1eCAP^r\0瓷全裝Itit時礙支拌MSPS4.6驚也摸數(shù)轉(zhuǎn)換超1ADC>轉(zhuǎn)換吋仙216.67nS37 13京持疽棗樣醫(yī)持支撐3215CHJ左時胖3舟分.引卑ePWMiffliti14(ePWMIAj^A^A^A)帶有集就里數(shù)模輪換帶(DAC)的比牧?xí)x012二內(nèi)郡集成屯睛H2G}0審齊外鯽口(SPI)1中舒堀也按口(SCI)0TOJIHt共用、數(shù)f(QPIQJ2022模盤(AJIQ)e外曲屮斷3換電圧(瀚如3.3V圖2-6TMS320F28027硬件特性

U4VdJO33ADC-AOADC-AlCMP1A.'ADC-A2ADC-A3CMP2A.'ADC-A430HVDCgVDCgvacJIAC5VcL*\LK_33VddlSVddl&VREGEWU4VdJO33ADC-AOADC-AlCMP1A.'ADC-A2ADC-A3CMP2A.'ADC-A430HVDCgVDCgvacJIAC5VcL*\LK_33VddlSVddl&VREGEWDGNDDGNDADOGndTRKTI2TCKITMSI21AIX.-A6AIX-A7ADGBICMPIB'ADC；!^ADGin￡MP沁DC-B4ADC-B6ADGBTGPJO-OOGPIO-OIGP1Q-O1GP1Q-O^GP1O-CMGP1Q-05GP1O-06GP1O07CaPJC-12GP1O-16GPJO-17GPJO-UGPJU-19IK29PWMBLl

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r卩口応P(guān)CI40SWI~4

卅swiW4247^'1.7鄒I叫TMJEII24芳muniiGP10-2SGP1O-29GP1O-32GP1O-33GPJO-34圖2-7TMS320F2802X引腳圖本章小結(jié)本章對系統(tǒng)的主電路方案、逆變器主電路、電源系統(tǒng)主控制器做出了對比，并對比他們的優(yōu)缺點，選擇性能更高的作為電路設(shè)計的部分。此外，還繪制出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，說明了設(shè)計的原理。第三章分析與計算DC-DC變換電路DC-DC變換電路采用Boost升壓斬波電路。當(dāng)開關(guān)管VT處于通態(tài)時，電

源向電感L充電，充電電流基本恒定為I],同時電容C上的電壓向負載充電,電容容量很大，基本保持輸出電壓為恒值，記為U。設(shè)VT處于通態(tài)的時間為oTT，此階段電感上積蓄的能量為EIJ。當(dāng)V處于斷態(tài)的時間為tff,則在此on 1on off期間電感釋放的能量為(U-E)I]tff。當(dāng)電路工作與穩(wěn)態(tài)時，一個周期中電感積蓄的能量與釋放的能量相等，即EIt=(U-E\t1on01off化簡得TU=E0toff上式中的輸出電壓高于電源電壓。上式中的輸出電壓高于電源電壓。圖3-1Boost電路儲能電感L的設(shè)計：L_VD

fAI$其中：Vin—輸入電壓最小值，D—主開關(guān)占空比，厶一開關(guān)頻率，△—輸入電流紋波。系統(tǒng)輸出的電壓為36V爭先交流電，則逆變電路輸入電壓為 U=36X運=50.9V,考慮系統(tǒng)電路的損耗，設(shè)計時取60V,即V0=60V。D—minD—D—minD—max1V]V0丿1V」'V0丿—1-145—0.758360-1-60-0.8333V—12V

in

f—10kHz$效率耳二95%，輸入功率為P，輸出功率為P=50W。則輸入功率為,

in0PinPin=P=52.64WP=—in=4.38AAI=0.2I=0.88Apk因此VDVDL 一一inmin一103pH,L 一一inmax一113pH,min fAI max fAIsspkVin則選取電感L=108“H。本系統(tǒng)采用的是雙Boost電路并聯(lián)交錯控制，以提高裝置效率，并且可以有效地減小直流輸出的紋波系數(shù)，電路圖如圖3-2。3.2DC-AC變換電路DC-AC變換電路由高性能數(shù)字信號處理器TMS320發(fā)出SPWM信號，經(jīng)驅(qū)動電路將SPWM脈寬調(diào)制信號功率放大來驅(qū)動逆變橋臂MOS管。該系統(tǒng)采用具有自舉技術(shù)的集成驅(qū)動電路NCP5181,其連接電路如圖3-3所示。NCP5181應(yīng)用自舉技術(shù)來實現(xiàn)同一集成電路可同時輸出兩個驅(qū)動逆變橋中高端和低端的通道信號，圖中q為自舉電容，VD3為防止反充的自舉二極管。功率管選用導(dǎo)通電阻僅為3.7mQ，開關(guān)損耗小的高效MOS管IRFB4110GPbF。當(dāng)電路中的電流為1.5A時，其逆變橋橋消耗的功率

P=2x12R=2x1.52x3.7x10-3=0.01665W其靜態(tài)損耗非常低。其逆變主電路圖如圖3-4所示VccPWM1■VccPWM1■PWM2VccVbootIN-HDV-HIN—LBridgeGNDDV-LGND3.3LC濾波電路GND濾波的目的主要是濾除高頻開關(guān)頻率分量。逆變器的輸出為頻率為10kHz的SPWM方波，其基波為50Hz，還含有低次、高次諧波，諧波主要集中在10K，20KHz附近，使逆變器輸出為標(biāo)準(zhǔn)正弦波就必須設(shè)置濾波，我們采用的是LC濾波電路，電路圖如圖2-4所示。截止頻率fc一般介于載波頻率的十分之一與基波頻率十倍之間，所以fc=10x50~1000Hz，則選擇fc為800Hz。LC濾波器輸出電壓基波的有效值為Uo=36V，頻率為50Hz。 °電流有效值為，

5050=1.38A36'WU2 ?3U2b+■o=5.07mH,①2①■o=5.07mHL LW12oC=丄=7.9|1FW2LLC=1=7.9pFW2L

L實際電感取6mH即可，電容C取10“F3.4采樣電路保護電路是交直流電源的重要組成部分，該電源系統(tǒng)主要有輸入欠壓和過壓保護、輸出短路及輸出過流保護組成。其原理是通過采樣電路采樣，經(jīng)運算衰減后送入TMS320芯片處理后控制相關(guān)的電路中MOS管的通斷，從而達到對電路的保護。系統(tǒng)輸入電壓經(jīng)電阻R1、R2分壓，通過電壓跟隨器輸入TMS320的AD通道，其二極管鉗位電路將電壓限制在0?3.3V之間，保證TMS320安全工作。其輸入電壓采樣電路如圖3-5所示。+5V+5V+3.3VACIS1IP+VCCIP+VoutIP-FilterIP-GNDGND-hRd^-igOkr100k￥R2C當(dāng)^GND—C^flOOgACS712-100mV/AtACIS2丁卍GND-r+5V+5V+3.3VACIS1IP+VCCIP+VoutIP-FilterIP-GNDGND-hRd^-igOkr100k￥R2C當(dāng)^GND—C^flOOgACS712-100mV/AtACIS2丁卍GND-rRp_11_3.3k2.4kR5GNDMCP6022GND3^_97^MCP6022un-MCP6O2R_41_rnni——1.2k2C「二1O0nGNDVD1 ACDNPVD2RAR43S圖3-6輸出電流采樣電路圖3-7輸出電壓采樣電路3.5控制程序設(shè)計軟件只要負責(zé)欠壓、過壓保護、過流保護、短路保護和故障的自恢復(fù)以及頻率的調(diào)節(jié)等功能。其程序流程圖如圖3-8所示。

圖3-8程序流程圖本章小結(jié)本章主要是系統(tǒng)的電路進行了分析，電路是由DC-DC變換電路、DC-AC變換電路、LC濾波電路、采樣電路等組成的，并對他們進行數(shù)據(jù)分析與計算，得出理論上的實驗數(shù)據(jù)，對于電容、電感、電阻，輸入電壓，開關(guān)頻率等選取進行分析。最后，還對系統(tǒng)控制程序設(shè)計做出了流程圖。第四章測試實驗欠壓、過壓、過流、短路等測試輸入欠壓、過壓測試：調(diào)節(jié)輸入電壓U『當(dāng)電壓表1顯示電壓低于9.13V時，蜂鳴報警，電路停止工作。當(dāng)電壓表1顯示電壓高于15.9V時，蜂鳴報警，電路停止工作。輸出過電流保護測試：調(diào)節(jié)負載，當(dāng)電流表2顯示電流高于1.610A時，主電路停止工作，蜂鳴報警。

短路保護和自恢復(fù)功能測試：將輸出短路，電路進入保護，蜂鳴器長響報警，移去短路線后報警消失，電路恢復(fù)正常工作。通過示波器電壓波形分析可知THD<1.6%，其波形如圖4-1。圖4-1圖4-1輸出50Hz頻率波形輸出電壓頻率測試：將輸入直流電壓從10V逐漸增大至14.5V，并相應(yīng)調(diào)節(jié)負載控制輸出功率為50W,分別測取輸入輸出端電壓、電流，記錄數(shù)據(jù),填入表2。表2測試的數(shù)據(jù)U（V）iI(A)iU(V)oI(A)oI(A)o110.15.4135.91.411.41211.94.5436.11.391.39313.04.1936.31.381.38414.53.6936.21.381.38P UI根據(jù)公式耳=—x100%= x100%計算出相應(yīng)效率，并填入表3。P UIo00表3計算的數(shù)據(jù)P(W)iP(W)o耳（%）i54.7P(W)iP(W)o耳（%）i54.750.692.554.050.292.954.653.650.149.991.893.1由表3可知系統(tǒng)的效率為耳=92.6%達到了設(shè)計要求。頻率調(diào)節(jié)測試頻率調(diào)節(jié)測試：調(diào)節(jié)編碼盤編碼，當(dāng)編碼為00110010時，輸出電壓頻率為49.95Hz，相對偏移0.1%，達到了設(shè)計要求。詳見表1。表1頻率調(diào)節(jié)測試數(shù)據(jù)編碼0010100輸出頻率

(Hz)20.00編碼0110010輸出頻率(Hz)編碼0010100輸出頻率

(Hz)20.00編碼0110010輸出頻率(Hz)49.95編碼1010101輸出頻率

(Hz)

85.040011110010100030.0239.