基于单片机的双极性单相SPWM逆变器模拟装置设计.doc
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1、基于单片机的双极性单相基于单片机的双极性单相 SPWMSPWM 逆变器模拟装置设计逆变器模拟装置设计A design of the bipolar single-phase SPWM inverter simulation device based on the microprocessor摘要摘要本系统以PIC16F877A单片机为核心,利用面积等效法生成SPWM信号。系统主要由隔离变压器和调压器将交流220V电源变成可调交流电源,再整流变换成直流电,SPWM信号通过光耦合隔离器控制由四个功率MOEFET管组成的逆变器的工作状态,逆变器输出频率和幅度都可调的正弦交流电。该逆变电源输出的正弦交
2、流电精度高,性能稳定,实用价值高,在电力电子技术中应用广泛。关键词:SPWM;逆变器;驱动电路AbstractAbstractThis system is based on the microprocessorPIC16F877A, and is made use of the equivalent of area to generate SPWM signal.The system is mainly composed of a isolated transformer and a boosterby which the AC 220V power is transformed to an
3、adjustable AC power.This AC power is rectifiedinto DC. The working status of the inverter composed of four power MOEFET are controlled by the SPWM signal through fourphoto-couplers.The inverter outputs a sine ACpower which frequency and amplitude is adjustable. And the output of the inverter power h
4、as the advantages of high accuracy, stability, and high practical value, so it widely used in power electronic technology.KeyKey words:words:SPWM; inverter;Drive circuit目 录摘要 IABSTRACTI1.引言 12.逆变电路 12.1 逆变电路的基本工作原理512.2 PWM 技术基础 22.3.1 面积等效的 SPWM 控制算法 22.3.2 SPWM 调制方法 33.系统设计 43.1 设计方案 43.2 设计要求及思路
5、44.硬件设计 54.1 主电路设计 54.2 驱动电路设计 64.3 自举电路设计 74.4 死区电路设计 74.5 硬软件保护电路设计 75.软件设计 85.1 主程序设计 85.2 中断设计 96.系统调试 106.1 SPWM 信号调试 107.系统测试 117.1 测试结果 118结束语 12致 12参考文献 12附录 141.1.引言引言随着科技的不断发展与仪器的更新换代对电源的要求越来越高,可以说一种高性能的电源是科学研究与工业应用得以顺利进行的有力保障。然而,直接将受污染严重的市电作为电源,显然无法达到仪器设备的要求1。微电子技术的发展以及变频方法研究工作的进展使交流变频技术不
6、仅在工业上及家电行业上得到了广泛应用,且在仪器设备的电源上也得到了广泛应用,以提高仪器设备的调速性能、节电和降噪。以CPU为核心的变频器为电源的数字化、智能化创造了条件2。随着逆变器在电力传动、UPS 电源和有源滤波器等电力电子设备中的广泛应用,SPWM 技术己经成为逆变技术的核心。早期使用模拟和数字的分立元件组成的混合电路生成 SPWM 波形,所需硬件较多,算法不够灵活,改变参数和调试比较麻烦。随着微电了和计算机技术的发展,逆变技术的研究重点也将逐渐转向以单片机、或 DSP 为主的数字控制方式。当前,单片机的应用已经从单纯依赖于 51 系列单片机向其它多种单片机发展,尤其以嵌入式 PIC 单
7、片机的发展应用更为广泛。PIC 单片机部集成有 PWM 功能的外围功能模块CCP,利用此模块更容易通过软件实现 SPWM,且具有更快的执行速度3以 16F877A 为核心,利用 SPWM 技术可实现对市电的逆变,从而对输出端电压进行控制。对比采用集成电路方法及其它的控制方法,采用单片机控制的逆变系统具有以下优点:全数字控制,易于扩展;电路结构简单,控制灵活,便于调试;技术性能好4。2.2.逆变电路逆变电路2.1 逆变电路的基本工作原理5图 1 S1、S4 闭合,S2、S3 断开电路和波形图以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理;图中 S1S4是桥式电路的 4 个臂,由电力电子器件及辅助电路
8、组成。S1、S4闭合,S2、S3断开时,负载电压u uo o为正;如图 1:S1、S4断开,S2、S3闭合时,负载电压u uo o为负;如图 2:1) 逆变电路最基本工作原理:改变两组开关切换频率,可改变输出交流电频率;2) 电阻负载时,负载电流io和uo的波形相同,相位也相同;3) 阻感负载时,io相位滞后于uo,波形也不同。2.2PWM 技术基础PWM 技术也称脉宽调制技术:即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效的获得所需要的波形含形状和幅值;1) PWM 控制的思想源于通信技术,全控型器件的发展使得实现 PWM 控制变得十分容易。2) PWM 技术的应用十分广泛,它使电力电子装置的性能
9、大大提高,因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。3) PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用,才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了 PWM 技术。2.3.1 面积等效的 SPWM 控制算法目前生成 SPWM 波的控制算法主要有 4 种。1) 自然采样法; 2) 对称规则采样法; 3) 不对称规则采样法; 4)面积等效法。理论分析后知自然采样法和面积等效法相对于规则采样法谐波较小,对谐波的抑制能力较强。又因为 PIC 单片机片无较大空间实现在线运算,所以自然采样法不利于软件实现。本系统采用面积等效法实现 SPWM 控制,原理如图 3 所示。图
10、 2 S2、S3 闭合,S1、S4 断开电路和波形图图 3 SPWM 面积等效算法利用正弦波小块面积 S1 与脉冲面积 S2 相等原则,将正弦波的一个周期分为 N 等分,则每一等分的宽度为 2/N 弧度,利用面积等效法计算出 01/4 周期 N/4 个不同的脉宽值,将产生的脉宽数列以列表形式存于 PIC 单片机的 ROM 中,以供程序调用。脉宽产生的基本公式为:TNkmH)2) 1) 1(2sin(式中:m 为调制度;T 为单个 PWM 的周期;N 为载波比,即正弦波一个周期的脉冲采样个数,N 根据所需正弦波的频率取不同值;k 取值为 0。14N由式1计算出的实际脉宽转换成计时步阶后生成个值的
11、正弦表存入 PIC14N的 ROM 中以供调用。产生的 SPWM 脉宽表是一个由窄到宽的表。2.3.2SPWM 调制方法以图 4 为例进行分析1) 单极性 PWM 控制方式单相桥逆变在ur和uc的交点时刻控制 IGBT或 MOEFET的通断,波形如图 5,其中uof表示uo的基波分量。ur正半周,V1保持通,V2保持断。当uruc时使 V4通,V3断,uo=Ud ; 当uruc时使 V4断,V3通,uo=0; 当uruc时,给 V1和 V4导通信号,给V2和 V3关断信号。如io0,V1和 V4通,如 图 4 单相桥式 PWM 逆变电路图 5 单极性 PWM 控制方式波形io0,VD1和 VD
12、4通,uo=Ud ;当uruc时,给 V2和 V3导通信号,给 V1和 V4关断信号。如io0,VD2和 VD3通,uo=-Ud 。3.3.系统设计系统设计3.1 设计方案电路的主要功能是将输入的单相交流电先转变成直流电,再通过逆变电路和控制电路将直流电转变成大小和频率都可调的单相交流电,即为交直交变频电路。因此系统主要应包括两部分:逆变电路和驱动电路。1、逆变电路6逆变电路主要是通过控制回路输出宽度按正弦规律变化的脉冲来控制开关器件的通断,从而输出正弦波。由于交直交变频器主要用于交流电机的调速,即负载为阻感负载,系统运行时需要消耗无功功率,而采用全桥逆变电路可以实现能量的双向流动,由交流侧向
13、直流侧反馈无功能量,故逆变电路采用单相全桥逆变电路。 2、驱动电路设计电路时逆变器件采用的是场效应管 IRF840,它的栅源极之间有一个 2000pF 左右的极间电容,为快速建立驱动电压,则要求驱动电路的输出电阻很小。而且 IRF840 开通时栅源极的驱动电压为+12V+18V,且每一路管子需要独立的驱动电压,从而采用自举电源作为驱动 IRF840 的电源。3.2 设计要求及思路1) 主电路设计:220V 交流电经隔离变压器和调压器形成电压可调的交流电,再整流成直流电,由 H 桥逆变接到负载测试;2) 控制电路设计:输出四路用于控制 H 桥逆变电路 SPWM 信号,载波开关频率推荐采用 5KH
14、z 左右,上下管要有一定的死区效果10usdead time,正弦信号波频率为 10100Hz 可调,幅值大于等于 80%母线直流电压;3) 单片机输出的 SPWM 信号经 RC 滤掉载波提取低频正弦信号波,便于示波器观测单片机 SPWM 逻辑,具有过流保护功能,能够软件保护,硬件保护。本系统采用 PIC 单片机中的 16F877A 为核心处理器,系统上电后,单片机利用部的CCP 模块在 RC2 口输出正弦信号频率从 10Hz、调制度从 0.68 开始向上增加的 SPWM 波,同时液晶上显示正弦信号频率和调制度;经过一段时间后,得到正弦信号频率为 50Hz、调制度为 0.98 的 SPWM 波
15、,系统初始化结束。SPWM 信号通过死区电路、保护电路后控制图 6 双极性 PWM 控制方式波形光耦隔离器输出的驱动信号,进而控制逆变电路 H 桥的工作。此后可根据负载的需求,用按键以 10Hz 或 1Hz 的步进值改变正弦信号的频率,用按键以 0.02 步进值调制度围为 0.681.00调整调制度。使负载高效正常的工作。本系统整机电路采用单片机 16F877A 做主控单元,其他部分包括整流滤波模块、逆变电路和过流检测模块、死区电路模块、保护电路模块、驱动电路模块、自举电源模块、辅助电源模块、液晶显示模块等。系统框架如图 7 所示:4.4.硬硬件设件设计计4.1 主电路设计主电路及过流检测电路
16、的工作原理图如图 8 所示,包括整流滤波电路、单相全桥逆变电路和 LC 滤波电路。整流滤波电路将输入的单相交流电变成直流电,再经电容的滤波形成纹波较小的直流电。全桥逆变电路将直流电变成正弦交流电,经过 LC 滤波电路后得到失真很小的正弦波。此外为了保证安全,在交流电的输入端接一 5A 的保险丝。 由于输入的交流电可达到 220V,所以整流二极管耐压必须大于 630V,滤波电容的耐-VUOA1TLP521G NDAC220RZ1470RZ251KRsf0.1/5WCZ1104/250VCZ5104CZ2103/250VD16A10D26A10D36A10D46A10CZ3200uF/630VLE
17、DRZ4100-VF5AACACCZ4104/630VO3C1M2RZ310K+5INTOUT1IG1IG4C10uFLRLT1IRF840T2IRF840T3IRF840T4IRF840+VIG3IG2V S1V S2COM+VRC0图 8 主电路图 7 系统总框图压必须大于 400V,整流二极管允许通过的电流应足够大;本系统选用的整流二极管为6A10,其耐压达到 1000V,允许通过的最大电流为 6A,基本满足要求。场效应管 IRF840 属于电压型控制器件,可通过给门极相应的驱动信号来控制器件的导通与截止,部含有体二极管,可以起到续流和反馈的作用。电路中各场效应管的栅极控制信号和输出电压
18、的波形如图 9 所示,负载为感性负载,工作时 IG1 和 IG4 的控制信号完全相同,IG2 和 IG3 的控制信号完全相同。IG1 和 IG2的通断状态互补,IG3 和 IG4 的通断状态也互补。电路的工作原理2是:当 IG1、IG4 导通时,IG2、IG3 截止;当 IG2、IG3 导通时,IG1、IG4 截止,每个 PWM 周期中 IG1、IG4与 IG2、IG3 交替导通截止,从而产生双极性的 SPWM 波。如此通过控制开关管的工作状态,使得输出脉冲的宽度按正弦规律变化,和正弦波等效,输出即为单相双极性正弦波。若要改变输出正弦波的大小,则只要按照同一调制率改变上述各脉冲的宽度即可。通过
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