基于51單片機(jī)的逆變電源的設(shè)計(jì)[學(xué)術(shù)參考]

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題 目： 基于51單片機(jī)的逆變電源設(shè)計(jì) 學(xué) 生： 學(xué)院(系)： 電子信息學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 電氣 指導(dǎo)教師： 葉剛 輔導(dǎo)教師： 葉剛 時(shí) 間： 教=學(xué)目 錄長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書I畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告II長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)指導(dǎo)教師審查意見III長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)評(píng)閱教師評(píng)語IV畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄及成績評(píng)定V【摘要】VI【Abstract】VII1 前言12 選題背景22.1 目的和意義22.2 現(xiàn)階段發(fā)展?fàn)顩r32.3 發(fā)展趨勢及主要問題42.4 指導(dǎo)思想及技術(shù)要求53 總體方案設(shè)計(jì)63.1 設(shè)計(jì)思路64 硬件部分 114.1 直流輸入控制電路114.

2、2 逆變電路方案論證214.3 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路方案論證244.4 控制流程圖255 軟件部分265.1 軟件設(shè)計(jì)思路265.2 軟件設(shè)計(jì)流程框圖285.3 單片機(jī)仿真圖295.4 結(jié)果測試366 總 結(jié)37參 考 文 獻(xiàn)37致 謝39 附 錄1 43附 錄2 46附 錄3 47 長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))任務(wù)書學(xué)院（系） 電信學(xué)院 專業(yè) 電氣自動(dòng)化 班級(jí) 10704 學(xué)生姓名 陳慧 指導(dǎo)教師/職稱 葉剛/講師 1. 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目：基于51單片機(jī)的逆變電源設(shè)計(jì)2. 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))起止時(shí)間： 2011 年2月20 日2011 年 6月10 日3畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)

3、教師選定部分）1 魏偉. 正弦波逆變電源的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J. 電氣技術(shù), 2008,(11)2 談?chuàng)P寧,朱兆優(yōu),王海濤.基于PICFxx單片機(jī)控制的正弦波逆變電源J. 電子元器件應(yīng)用, 2009,(08) 3 楊慶江,李曄,包西平. 一種應(yīng)用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的新型逆變器J. 太陽能, 2007,(01) 4 趙建武. 單相SPWM逆變電源仿真設(shè)計(jì)J. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,(03) .5 張竹,張代潤,何易桓,王超. 一種多功能逆變電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 電源世界, 2009,(01) .4畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))應(yīng)完成的主要內(nèi)容（1）通過上網(wǎng)及圖書館等途徑，查閱傳統(tǒng)逆變電源裝

4、置的結(jié)構(gòu)及工作原理，針對(duì)其存在弊端，提出自己的設(shè)計(jì)方法。（2）第一，主電路的設(shè)計(jì)；第二，控制回路的設(shè)計(jì)。5畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的目標(biāo)及具體要求（1）具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能：RS和RL在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，使，相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于1%。（2）具有頻率跟蹤功能：當(dāng)fREF在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，使uF的頻率fF=fREF，相對(duì)偏差絕對(duì)值不大于1%。（3）當(dāng)RS=RL=30時(shí)，DC-AC變換器的效率60%。（4）當(dāng)RS=RL=30時(shí)，輸出電壓uo的失真度THD5%。 （5）具有輸入欠壓保護(hù)功能，動(dòng)作電壓Ud(th)=(250.5) V。（6）具有輸出過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流Io(th)=(1.50

5、.2) A。6、完成畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))所需的條件及上機(jī)時(shí)數(shù)要求開發(fā)儀器及軟件： PC機(jī)一臺(tái)、proteus或pspice仿真軟件。 上機(jī)時(shí)數(shù)120學(xué)時(shí) =任務(wù)書批準(zhǔn)日期 年 月 日 教研室(系)主任(簽字) 任務(wù)書下達(dá)日期 年 月 日 指導(dǎo)教師(簽字) 完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽名） 教=學(xué)長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題 目 名 稱 基于51單片機(jī)的逆變電源設(shè)計(jì) 院 （系） 電子信息學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 電氣10704 學(xué) 生 姓 名 陳慧 指 導(dǎo) 教 師 葉剛 輔 導(dǎo) 教 師 葉剛 開題報(bào)告日期 2011年3月11日 基于51單片機(jī)的逆變電源設(shè)計(jì)學(xué)生：陳慧，電子信息學(xué)院指導(dǎo)教師：葉剛，電子

6、信息學(xué)院一、題目來源實(shí)驗(yàn)室建設(shè) 二、研究目的和意義逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)進(jìn)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。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 逆變電源的應(yīng)用越來越廣泛，它橫跨電力、電子、微處理器及自動(dòng)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(diǎn)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。相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)逆變電源的輸出電壓波形特性也隨之提出了越來越高的要求， 因?yàn)殡娫吹妮敵霾ㄐ钨|(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)。逆變電源技術(shù)是一門綜合性的專業(yè)技術(shù)，逆變電源作為一種產(chǎn)生交流電的裝置，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：變頻，逆變電源能將市電轉(zhuǎn)換為用戶所需

7、頻率的交流電；變相，逆變電源能將單相交流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，也能將三相交流電轉(zhuǎn)換為單相交流電；逆變電源能將直流電轉(zhuǎn)換為交流電；逆變電源能將低質(zhì)量的市電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。21世紀(jì)是能源與環(huán)保的世紀(jì)。能源的開發(fā)、資源的利用與環(huán)境保護(hù)相互協(xié)調(diào)的發(fā)展，是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。在這個(gè)世紀(jì)里，節(jié)省能源與開發(fā)新能源，提高燃料的利用率與減少燃料產(chǎn)生的污染已成為必須要解決的重要課題。尤其其中的逆變技術(shù)，它的作用是從市電電網(wǎng)上得到已遭污染的定壓定頻交流“粗電能”，或從蓄電池、太陽能電池、燃料電池等得到的電能質(zhì)量比較差的直流原始電能，變換成電能質(zhì)量較高、較能滿足用戶負(fù)載對(duì)電壓和頻率要求的交流電能

8、。鑒于逆變電源優(yōu)點(diǎn)很多，逆變電源將逐漸取代旋轉(zhuǎn)型變流機(jī)組。隨著各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對(duì)操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電能源，而是通過各種形式對(duì)其進(jìn)行變換，從而得到各自所需的電能形式。逆變就是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一種基本形式，它完成將直流電變換成交流電的功能?，F(xiàn)代逆變技術(shù)是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法的學(xué)科，這門學(xué)科綜合了現(xiàn)代電力電子開關(guān)器件技術(shù)、現(xiàn)代功率變換技術(shù)、模擬和數(shù)字電子技術(shù)、PWM技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)等多種實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)，已被廣泛的用于工業(yè)和民用領(lǐng)域中的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中。早期的變頻電源，只需要其輸出電壓、頻率可調(diào)

9、即可，然而，今天的變頻電源除這些要求外，還必須環(huán)保無污染，即綠色環(huán)保變頻電源。因而高性能的變頻電源必須滿足:(l)高的輸入功率因數(shù)，低的輸出阻抗；(2)快速的暫態(tài)響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)精度高;(3)穩(wěn)定性高，效率高，可靠性高；(4)低的電磁干擾；(5)智能化。由于傳統(tǒng)的變頻電源采用模擬控制技術(shù)，難以實(shí)現(xiàn)上述要求。因而，研究數(shù)字化控制技術(shù)的綠色變頻電源技術(shù)，對(duì)當(dāng)今提出的“節(jié)能、高效、綠色、環(huán)保”工業(yè)口號(hào)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。三、閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱1 魏偉. 正弦波逆變電源的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J. 電氣技術(shù), 2008,(11)2 談?chuàng)P寧,朱兆優(yōu),王海濤.基于PICFxx單片機(jī)控制的正弦波逆變電源J.

10、 電子元器件應(yīng)用, 2009,(08) 3 楊慶江,李曄,包西平. 一種應(yīng)用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的新型逆變器J. 太陽能, 2007,(01) 4 趙建武. 單相SPWM逆變電源仿真設(shè)計(jì)J. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,(03) .5 張竹,張代潤,何易桓,王超. 一種多功能逆變電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 電源世界, 2009,(01) .四、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向逆變電源的發(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(dòng)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(jì)60 年代，到目前為止，它已經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。第一代逆變電源是采用晶閘管(SCR)

11、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(jī)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(qiáng)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(jìn)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(jì)70 年代后期，各種自關(guān)斷器件相運(yùn)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

12、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(dòng)態(tài)特性及對(duì)非線性負(fù)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(dòng)功率小、模塊的電壓電流等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)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S P W M 控制技術(shù)。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(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但由于它所采用的S P W M 控制技術(shù)只注重如何通過恰當(dāng)設(shè)計(jì)開

13、關(guān)模式來實(shí)現(xiàn)逆變器輸出頻譜的優(yōu)化，沒有考慮信號(hào)傳輸過程中開關(guān)點(diǎn)的變化及負(fù)載的影響，所以存在以下缺點(diǎn)：對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)。當(dāng)逆變電源輸出帶非線性負(fù)載時(shí)，負(fù)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(shí)間的存在將使S P W M 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(dòng)態(tài)特性不好。負(fù)載突變時(shí)輸出電壓調(diào)整時(shí)間長。之所以出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)橄到y(tǒng)中僅存在電壓平均值或有效值反饋，而沒有瞬時(shí)值反饋；給定電壓與輸出電壓之間的相位差受負(fù)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(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)，使逆變電源的性能得到提高。實(shí)時(shí)反饋

14、控制技術(shù)是針對(duì)第二代逆變電源對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)及動(dòng)態(tài)特性不好的缺點(diǎn)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)多種多樣，主要有以下幾種5-9：重復(fù)控制；諧波補(bǔ)償控制；無差拍控制；單一的電壓瞬時(shí)值控制；帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)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(dòng)態(tài)性能優(yōu)越和對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。五、主要研究內(nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題及解決思路1、主要研究內(nèi)容設(shè)計(jì)逆變主電路，控制電路，采用51單片機(jī)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)及仿真，我選用單相SPWM正弦波逆變電源下圖是系統(tǒng)結(jié)

15、構(gòu)圖：輸出單片機(jī)產(chǎn)生SPWMIR2110驅(qū)動(dòng)電路逆變電路整流電路輸入圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2、重點(diǎn)問題及解決思路首先是主電路的設(shè)計(jì)，選擇合適的電路和器件類型很重要，參數(shù)要求也要盡量達(dá)到，需要仔細(xì)計(jì)算，我會(huì)參考已有的設(shè)計(jì)互相比較選擇較好的電路。圖 1 逆變器的主電路圖其次是開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的形成，通過深入學(xué)習(xí)其調(diào)制方法原理選擇合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 圖 2 SPWM波形最后是單片機(jī)的型號(hào)選擇和proteus仿真，控制電路的設(shè)置對(duì)這方面很重要，反復(fù)嘗試，反復(fù)調(diào)試以達(dá)到要求。六、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所必須具備的工作條件工具書：電力電子技術(shù)，單片機(jī)原理實(shí)用教程，網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)等。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)：Proteus仿真軟件

16、等。七、工作的主要階段、進(jìn)度與時(shí)間安排2011年02月25日03月11日：根據(jù)指導(dǎo)老師下達(dá)的畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書，確定論文的主要內(nèi)容并寫好開題報(bào)告，交給指導(dǎo)老師。2011年03月12日05月20日：在現(xiàn)有的基礎(chǔ)條件下，定期和指導(dǎo)老師聯(lián)系，進(jìn)行課題設(shè)計(jì)論文的寫作，完成初稿，并交給指導(dǎo)老師評(píng)定。2011年05月25日05月31日：根據(jù)指導(dǎo)老師的修改意見修改設(shè)計(jì)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)論文格式打印論文修改稿，交給指導(dǎo)老師評(píng)定。2011年06月01日06月10日：通過指導(dǎo)老師評(píng)定，畢業(yè)設(shè)計(jì)論文定稿畢業(yè)設(shè)計(jì)論文要求裝訂完畢。并充分準(zhǔn)備，進(jìn)行畢業(yè)答辯。八、指導(dǎo)教師審查意見長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)指導(dǎo)教師審查意見學(xué)生姓

17、名專業(yè)班級(jí)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目指導(dǎo)教師職 稱評(píng)審日期評(píng)審參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和組織紀(jì)律，學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)的情況，解決實(shí)際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。評(píng)審意見： 指導(dǎo)教師簽名： 評(píng)定成績（百分制）：_分長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)評(píng)閱教師評(píng)語學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目評(píng)閱教師職 稱評(píng)閱日期評(píng)閱參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)的情況

18、，解決實(shí)際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。評(píng)語：評(píng)閱教師簽名： 評(píng)定成績（百分制）：_分畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄及成績評(píng)定學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目答辯時(shí)間 年 月 日 時(shí)答辯地點(diǎn)一、答辯小組組成答辯小組組長：成 員：二、答辯記錄摘要答辯小組提問（分條摘要列舉）學(xué)生回答情況評(píng)判三、答辯小組對(duì)學(xué)生答辯成績的評(píng)定（百分制）：_分 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))最終成績評(píng)定(依據(jù)指導(dǎo)教師評(píng)分、評(píng)閱教師評(píng)分、答辯小組評(píng)分和學(xué)校關(guān)于畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))評(píng)分的相關(guān)規(guī)定)等級(jí)(五級(jí)制)：_答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 年 月 日院(系)答辯委員會(huì)

19、主任(簽名)： 院(系)(蓋章)教=學(xué)基于51單片機(jī)的逆變電源設(shè)計(jì)學(xué) 生：陳慧 電子信息學(xué)院指導(dǎo)老師：葉剛 電子信息學(xué)院【摘要】逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)進(jìn)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。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電源的應(yīng)用越來越廣泛，它橫跨電力、電子、微處理器及自動(dòng)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(diǎn)之一。與此同時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)逆變電源的輸出電壓波形特性也隨之提出了越來越高的要求， 因?yàn)殡娫吹妮敵霾ㄐ钨|(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，以SPWM控制方式設(shè)計(jì)的逆變電源越來越受到青睞。本論文敘述的就是一種基于51系列單

20、片機(jī)設(shè)計(jì)的SPWM逆變電源。該電源以18 V直流電壓為輸入，通過升壓環(huán)節(jié)與SPWM逆變環(huán)節(jié)，得到了設(shè)定頻率與電壓的優(yōu)質(zhì)正弦交流電。它采用MOSFET 作為功率器件，IR2110 作為MOSFET 的驅(qū)動(dòng)芯片，并采用恒 U/F 的控制策略;逆變部分采用單片機(jī)數(shù)字化SPWM控制方式，以盡可能地減少諧波。由于采用了基于單片機(jī)的數(shù)字化技術(shù),使得電源調(diào)節(jié)靈活、性能可靠,為性能要求高的儀器設(shè)備提供了一種高品質(zhì)的交流電源?！娟P(guān)鍵字】 逆變電源 SPWM 單片機(jī) 教=學(xué)The design of the inverter power based on 51 single-chip microcomputerS

21、tudent: Chen Hui Electronics Information CollegeTeacher: Ye Gang Electronics Information College【Abstract】Inverter is a kind of using power electronic technology for electric power transformation device,it from ac or dc Input voltage of exchange obtained constant frequency output. With the developme

22、nt of the power electronic technology, the application of inverter power supply is more and more extensive,it across the electric power, electron, microprocessor and automatic control multi-disciplinary field, is one of the hotspots of the power electronics industry and scientific research. Meanwhil

23、e application system subsequently put the output voltage waveform characteristics of inverter power supply forward more and more high demand, because the power output waveform quality directly relates to the whole system safety and reliability index.Along with the digital signal processing technolog

24、y development, the control mode design with SPWM inverter power supply more and more be favorred.This article describes a SPWM inverter power supply based on the 51 series microcontroller. The power input is 18 V dc voltage, through pressurization link and SPWM inverter link, got sinusoidal alternat

25、ing current of the proset frequency and setting quality voltage. It uses MOSFET as power devices, IR2110 as drive chip, and the MOSFET using constant U/F control strategy; The inverter part adopts single-chip microcomputer digital SPWM control mode, to reduce the harmonic as possible. Because of the

26、 use of digital technology based on single chip, makes power adjustment flexible and reliable performance, for the equipment of high performance requirements provides a high quality ac power.【 Keywords】 inverter power SPWM singlechip基于51單片機(jī)的逆變電源設(shè)計(jì)1 前言逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)進(jìn)行電能變換的裝置。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電源的應(yīng)用越來越廣泛

27、，但應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)逆變電源的輸出電壓波形特性也隨之提出了越來越高的要求，因?yàn)殡娫吹妮敵霾ㄐ钨|(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展, 逆變電源廣泛應(yīng)用到各行各業(yè),進(jìn)而對(duì)其性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的逆變電源多為模擬控制或數(shù)字相結(jié)合的控制系統(tǒng)。好的逆變電源電壓輸出波形主要包括穩(wěn)態(tài)精度高, 動(dòng)態(tài)性能好等方面。目前逆變器結(jié)構(gòu)和控制, 能得到良好的正弦輸出電壓波形, 但對(duì)突變較快的波形, 效果不是很理想。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，以SPWM控制方式設(shè)計(jì)的逆變電源越來越受到青睞。本文介紹的SPWM逆變電源就是采用51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)SPWM控制和正弦波方式輸出，而且電路簡單，性能安全可靠，

28、靈活性強(qiáng)，同時(shí)可以降低諧波，提高效率。教=學(xué)2 選題背景2.1 目的和意義逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)進(jìn)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。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 逆變電源的應(yīng)用越來越廣泛，它橫跨電力、電子、微處理器及自動(dòng)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(diǎn)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。相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)逆變電源的輸出電壓波形特性也隨之提出了越來越高的要求， 因?yàn)殡娫吹妮敵霾ㄐ钨|(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)。逆變電源技術(shù)是一門綜合性的專業(yè)技術(shù)，逆變電源作為一種產(chǎn)生交流電的裝置，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：變頻，逆變電

29、源能將市電轉(zhuǎn)換為用戶所需頻率的交流電；變相，逆變電源能將單相交流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，也能將三相交流電轉(zhuǎn)換為單相交流電；逆變電源能將直流電轉(zhuǎn)換為交流電；逆變電源能將低質(zhì)量的市電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。21世紀(jì)是能源與環(huán)保的世紀(jì)。能源的開發(fā)、資源的利用與環(huán)境保護(hù)相互協(xié)調(diào)的發(fā)展，是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。在這個(gè)世紀(jì)里，節(jié)省能源與開發(fā)新能源，提高燃料的利用率與減少燃料產(chǎn)生的污染已成為必須要解決的重要課題。尤其其中的逆變技術(shù)，它的作用是從市電電網(wǎng)上得到已遭污染的定壓定頻交流“粗電能”，或從蓄電池、太陽能電池、燃料電池等得到的電能質(zhì)量比較差的直流原始電能，變換成電能質(zhì)量較高、較能滿足用戶負(fù)載對(duì)

30、電壓和頻率要求的交流電能。鑒于逆變電源優(yōu)點(diǎn)很多，逆變電源將逐漸取代旋轉(zhuǎn)型變流機(jī)組。隨著各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對(duì)操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電能源，而是通過各種形式對(duì)其進(jìn)行變換，從而得到各自所需的電能形式。逆變就是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一種基本形式，它完成將直流電變換成交流電的功能?，F(xiàn)代逆變技術(shù)是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法的學(xué)科，這門學(xué)科綜合了現(xiàn)代電力電子開關(guān)器件技術(shù)、現(xiàn)代功率變換技術(shù)、模擬和數(shù)字電子技術(shù)、PWM技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)等多種實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)，已被廣泛的用于工業(yè)和民用領(lǐng)域中的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中。早期的變頻電源，只

31、需要其輸出電壓、頻率可調(diào)即可，然而，今天的變頻電源除這些要求外，還必須環(huán)保無污染，即綠色環(huán)保變頻電源。因而高性能的變頻電源必須教=學(xué)滿足:(l)高的輸入功率因數(shù)，低的輸出阻抗；(2)快速的暫態(tài)響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)精度高;(3)穩(wěn)定性高，效率高，可靠性高；(4)低的電磁干擾；(5)智能化。由于傳統(tǒng)的變頻電源采用模擬控制技術(shù)，難以實(shí)現(xiàn)上述要求。因而，研究數(shù)字化控制技術(shù)的綠色變頻電源技術(shù)，對(duì)當(dāng)今提出的“節(jié)能、高效、綠色、環(huán)保”工業(yè)口號(hào)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。2.2 現(xiàn)階段發(fā)展?fàn)顩r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(dòng)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(jì)60 年

32、代，到目前為止，它已經(jīng)歷了三個(gè)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(jī)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(qiáng)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(jìn)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(jì)70 年代后期，各種自關(guān)斷器件相運(yùn)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

33、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(dòng)態(tài)特性及對(duì)非線性負(fù)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(dòng)功率小、模塊的電壓電流等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)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S P W M 控制技術(shù)。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

34、實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但由于它所采用的S P W M 控制技術(shù)只注重如何通過恰當(dāng)設(shè)計(jì)開關(guān)模式來實(shí)現(xiàn)逆變器輸出頻譜的優(yōu)化，沒有考慮信號(hào)傳輸過程中開關(guān)點(diǎn)的變化及負(fù)載的影響，所以存在以下缺點(diǎn)：對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)。當(dāng)逆變電源輸出帶非線性負(fù)載時(shí)，負(fù)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(shí)間的存在將使S P W M 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(dòng)態(tài)特性不好。負(fù)載突變時(shí)輸出電壓調(diào)整時(shí)間長。之所以出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)橄到y(tǒng)中僅存在電壓平均值或有效值反饋，而沒有瞬時(shí)值反饋；給定電壓與輸出電壓之間的相位差受負(fù)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

35、求。第三代逆變電源采用了實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)，使逆變電源的性能得到提高。實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)是針對(duì)第二代逆變電源對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)及動(dòng)態(tài)特性不好的缺點(diǎn)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)多種多樣，主要有以下幾種5-9：重復(fù)控制；諧波補(bǔ)償控制；無差拍控制；單一的電壓瞬時(shí)值控制；帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)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(dòng)態(tài)性能優(yōu)越和對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。2.3 發(fā)展趨勢及主要問題一、在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，變頻電源技術(shù)均處于核心地

36、位。近年來，現(xiàn)代變頻電源技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)出以下幾種趨勢：(1) 高頻化 提高變頻電源的開關(guān)頻率，可以有效地減小裝置的體積和重量，為了進(jìn)一步減小裝置的體積和重量，去掉笨重的工頻隔離變壓器，采用高頻隔離，并可消除變壓器和電感的音頻噪聲，同時(shí)改善了輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。(2) 高性能化高性能主要指輸出電壓特性的高性能，它主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:穩(wěn)壓性能好，空載及負(fù)載時(shí)輸出電壓有效值要穩(wěn)定；波形質(zhì)量高，不但要求空載時(shí)的波形好，帶載時(shí)波形也好，對(duì)非線性負(fù)載性要強(qiáng)；突加或突減負(fù)載時(shí)輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)特性好；電壓調(diào)制量??；輸出電壓的頻率穩(wěn)定性好；對(duì)于共相電源，帶不平衡負(fù)載時(shí)相電壓失衡小。(3) 模塊化 當(dāng)

37、今逆變電源的發(fā)展趨向是大功率化和高可靠性.雖然現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)幾千KVA的大型逆變電源，完全可以滿足大功率要求的場合。但是，這樣整個(gè)系統(tǒng)的可靠性完全由單臺(tái)電源決定，無論如何可靠性也不可能達(dá)到很高。為了提高系統(tǒng)的可靠性，就必須實(shí)現(xiàn)模塊化，模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合，構(gòu)成一個(gè)較大容量的變頻電源。模塊化需要解決逆變電源之間的并聯(lián)問題，變頻電源的并聯(lián)要比直流電源的并聯(lián)復(fù)雜，它面臨著負(fù)荷分配、環(huán)流補(bǔ)償、通斷控制等多方面的問題。 (4) 數(shù)字化現(xiàn)在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、提高系統(tǒng)抗干擾能力、便于軟件包調(diào)試和遙

38、感遙測遙調(diào)、也便于自診斷，容錯(cuò)等技術(shù)的植入，同時(shí)也為電源的并聯(lián)技術(shù)發(fā)展提供了方便。 (5) 綠色化綠色電源的含義有兩層:首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因。為了使電源系統(tǒng)綠色化，電源應(yīng)加裝高效濾波器，還應(yīng)在電網(wǎng)輸入端采用功率因數(shù)校正技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)。提高輸入功率因數(shù)具有重要意義，不僅可以減少對(duì)電網(wǎng)的污染，降低市電的無功損耗，起到環(huán)保和節(jié)能的效果，而且還能減少相應(yīng)的投資，提高運(yùn)行可靠性。提高功率因數(shù)的傳統(tǒng)方法是采用無源功率因數(shù)校正技術(shù)，目前較先進(jìn)的方法是:單相輸入的采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，三相輸入的采用SPWM高頻整流提高功率因數(shù)。今后電源技術(shù)將朝著高效率、

39、高功率因數(shù)和高可靠性方向發(fā)展，并不斷實(shí)現(xiàn)低諧波污染、低環(huán)境污染、低電磁干擾和小型化、輕量化。從而為今后的綠色電源產(chǎn)品和設(shè)備的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)保證，這也將是現(xiàn)代電源發(fā)展的必然結(jié)果。二、變頻電源數(shù)字化發(fā)展存在的難點(diǎn)數(shù)字化是變頻電源發(fā)展的主要方向，但還是需要解決一下難題:(l) 變頻電源輸出要跟蹤的是一個(gè)按正弦規(guī)律變化的給定信號(hào)，它不同于一般的開關(guān)電源的常值控制。在閉環(huán)控制下，給定信號(hào)與反饋信號(hào)的時(shí)間差就體現(xiàn)為明顯的相位差，這種相位差與負(fù)載是相關(guān)的，這就給控制器的設(shè)計(jì)帶來了困難。(2) 變頻電源輸出濾波器對(duì)系統(tǒng)的模型影響很大，輸入電壓的波動(dòng)幅值和負(fù)載的性質(zhì)，大小的變化范圍往往比較大，這些都增加了

40、控制對(duì)象的復(fù)雜性，使得控制對(duì)象模型的高階性、不確定性、非線性顯著增加。(3) 變頻電源電力電子變換裝置是一個(gè)離散的、耦合的、非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。要滿足負(fù)載對(duì)電源的靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，一般地將電力電子變換裝置設(shè)計(jì)成一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。工程技術(shù)人員對(duì)線性系統(tǒng)的校正與綜合比較熟悉，對(duì)這樣的系統(tǒng)教=學(xué)控制有些力不從心。因此，如果能建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，特別是從控制到輸出之間的傳遞函數(shù)，則有助于工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)分析，減少盲目選擇參數(shù)的調(diào)試時(shí)間，解決本質(zhì)非線性系統(tǒng)的線性控制問題。2.4 指導(dǎo)思想及技術(shù)要求逆變電源主電路選用單相全橋逆變電路，采用51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)SPWM數(shù)字化調(diào)制控制，該電源調(diào)節(jié)靈

41、活，性能穩(wěn)定可靠，效果很好。技術(shù)要求：（1）具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能：RS和RL在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，使，相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于1%。（2）具有頻率跟蹤功能：當(dāng)fREF在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，使uF的頻率fF=fREF，相對(duì)偏差絕對(duì)值不大于1%。（3）當(dāng)RS=RL=30時(shí)，DC-AC變換器的效率60%。（4）當(dāng)RS=RL=30時(shí)，輸出電壓uo的失真度THD5%。 （5）具有輸入欠壓保護(hù)功能，動(dòng)作電壓Ud(th)=(250.5) V。（6）具有輸出過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流Io(th)=(1.50.2) A。3 總體方案設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)思路逆變電源的主電路基本就是有整流器，逆變器，變壓器，LC濾

42、波器組成。圖 3.1 典型的逆變電源主電路3.2 逆變電路的選擇與方案論證3.2.1逆變電路有很多種分類：按輸出電能的去向分，可分為有源逆變電路和無源逆變電路。前者輸出的電能不返回公共交流電網(wǎng)，后者輸出的電能直接輸向用電設(shè)備。按直流電源性質(zhì)可分為由電壓型直流電源供電的電壓型逆變電路和由電流型直流電源供電的電流型逆變電路。按主電路的器件分，可分為：由具有自關(guān)斷能力的全控型器件組成的全控型逆變電路；由無關(guān)斷能力的半控型器件（如普通晶閘管）組成的半控型逆變電路。半控型逆變電路必須利用換流電壓以關(guān)斷退出導(dǎo)通的器件。若換流電壓取自逆變負(fù)載端，稱為負(fù)載換流式逆變電路。這種電路僅適用于容性負(fù)載;對(duì)于非容性負(fù)

43、載,換流電壓必須由附設(shè)的專門換流電路產(chǎn)生，稱自換流式逆變電路。按電流波形分，可分為正弦逆變電路和非正弦逆變電路。前者開關(guān)器件中的電流為正弦波，其開關(guān)損耗較小，宜工作于較高頻率。后者開關(guān)器件電流為非正弦波，因其開關(guān)損耗較大，故工作頻率較正弦逆變電路低。按輸出相數(shù)可分為單相逆變電路和多相逆變電路。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我希望獲得正弦交流電壓輸出，在我們電力電子的學(xué)習(xí)中，我們著重學(xué)習(xí)的是電壓型單相逆變電路，我對(duì)這方面也比較熟悉，故選擇電壓型單相逆變電路。3.2.2逆變電路的基本工作原理圖 3.2.1 單相橋式逆變電路工作原理教=學(xué)開關(guān)T1、T4閉合，T2、T3斷開：u0=Ud；開關(guān)T1、T4斷開，T2、T3

44、閉合：u0=Ud；當(dāng)以頻率fS交替切換開關(guān)T1、T4和T2、T3時(shí)，則在電阻R上獲得如圖4.2.4(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uo。uo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。1.電壓型單相半橋逆變電路電壓型半橋逆變電路結(jié)構(gòu)及波形：它由兩個(gè)導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個(gè)導(dǎo)電臂由一個(gè)全控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容C1和C2，且滿足C1=C2。設(shè)感性負(fù)載連接在A、0兩點(diǎn)間。T1和T2之間存在死區(qū)時(shí)間，以避免上、下直通，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)兩晶閘管均無驅(qū)動(dòng)信號(hào)。輸出的電壓有效值為： 由傅里葉分析，輸出電壓瞬時(shí)

45、值為: 其中， 為輸出電壓角頻率。 圖 3.1.2 單相半橋電路及波形 當(dāng) n=1時(shí)其基波分量的有效值為: 電壓型半橋逆變電路工作原理在一個(gè)周期內(nèi)，電力晶體管T1和T2的基極信號(hào)各有半周正偏，半周反偏，且互補(bǔ)。若負(fù)載為阻感負(fù)載，設(shè)t2時(shí)刻以前，T1有驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通，T2截止，則 u0=Ud/2。t2時(shí)刻關(guān)斷的T1，同時(shí)給T2發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)。由于感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向，于是D2導(dǎo)通續(xù)流，u0=Ud /2 。t3時(shí)刻i。降至零，D2截止，T2導(dǎo)通，i。開始反向增大，此時(shí)仍然有u0=Ud /2 。在t4時(shí)刻關(guān)斷T2，同時(shí)給T1發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)，由于感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向，D1先導(dǎo)

46、通續(xù)流，此時(shí)仍然有u0=Ud /2 ；t5時(shí)刻 i。降至零， T1導(dǎo)通，u0=Ud /2 ；優(yōu)點(diǎn)： 簡單，使用器件少；缺點(diǎn)：1）交流電壓幅值僅為Ud/2；2）直流側(cè)需分壓電容器；3）為了使負(fù)載電壓接近正弦波通常在輸出端要接LC濾波器，輸出濾波器LC濾除逆變器輸出電壓中的高次諧波。 一般用于幾kW以下的小功率逆變電源；2.電壓型單相全橋逆變電路電路的工作過程：全控型開關(guān)器件T1和T4構(gòu)成一對(duì)橋臂，T2和T3構(gòu)成一對(duì)橋臂, T1和T4同時(shí)通、斷；T2和T3同時(shí)通、斷。T1(T)4與T2(T3)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，即T1和T4有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，T2和T3無驅(qū)動(dòng)信號(hào)，反之亦然，兩對(duì)橋臂各交替導(dǎo)通180。電路結(jié)

47、構(gòu)及波形輸出方波電壓瞬時(shí)值： 輸出方波電壓有效值： 基波分量的有效值：圖 3.2.3 單相全橋電路及波形 輸出方波電壓瞬時(shí)值：教=學(xué)輸出方波電壓有效值：基波分量的有效值：同單相半橋逆變電路相比，在相同負(fù)載的情況下，其輸出電壓和輸出電流的幅值為單相半橋逆變電路的兩倍。在電壓的利用率方面考慮，采用全橋逆變較好，故主電路采用電壓型單相全橋逆變電路。3.3 調(diào)制信號(hào)選擇及方案論證在逆變電源中，主要的控制部分是對(duì)逆變電路中全控型元件開關(guān)的調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)輸出波形的數(shù)字化頻率調(diào)制。SPWM控制技術(shù)是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM控制技術(shù)，它有如下主要優(yōu)點(diǎn)。（1） PWM實(shí)現(xiàn)起來比較方便，可是用模擬或數(shù)

48、字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；（2） 可以大幅降低輸出諧波含量，尤其是低頻紋波，它的諧波主要集中在載波頻率的K倍的位置，諧波頻率較高，因此濾波器設(shè)計(jì)容易，實(shí)現(xiàn)成本較低；（3） 對(duì)于多電平變換器，調(diào)制比可以在所有的工作范圍內(nèi)變化；（4） 在載波中加入合適的零序列，可以較好的平衡重點(diǎn)電位。本設(shè)計(jì)的逆變電源是基于51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制SPWM波。所以采用SPWM技術(shù)既方便又有很好的效果。3.3.1 SPWM調(diào)制基本原理 SPWM法就是用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過

49、改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。2.SPWM的實(shí)現(xiàn)方法在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。即當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，教=學(xué)其輸出響應(yīng)基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。把圖2-1a的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/N，但幅值不

50、等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就得到圖2-1b所示的脈沖序列,這就是PWM波形?？梢钥闯龈髅}沖的幅值相等，而寬度是按正弦波規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形。要改變等效輸出的正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即

51、可。 圖3.1.2-1 用PWM波代替正弦半波 3.3.2 SPWM的實(shí)現(xiàn)方法SPWM波的實(shí)現(xiàn)方法分為計(jì)算法和調(diào)制法。一、計(jì)算法是給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，SPWM波形中各脈沖的寬度和時(shí)間間隔可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。按照計(jì)算的結(jié)果控制逆變電路中各個(gè)開關(guān)器件的通斷，以便得到所需要的PWM波。二、調(diào)制法是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。因?yàn)榈妊遣ㄉ先我稽c(diǎn)的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，如果在交點(diǎn)時(shí)刻

52、對(duì)電路中教=學(xué)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。在調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。在實(shí)際應(yīng)用中可以用模擬電路構(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(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)功率開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波形。由于計(jì)算法較繁瑣，計(jì)算量大，較少使用。而模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。因此，目前SPWM波形的生成和控制多用微機(jī)來實(shí)現(xiàn)。下面介紹幾種常用的用軟件生成SPWM波形的算法，并分析它們的特點(diǎn)。1 自然采樣法在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，稱為自然采樣法。正弦波在不同相位角時(shí)值不同，因而與三角波相交所得到的脈沖寬度不同?？芍@種算法計(jì)算量比較大，需花費(fèi)較多的時(shí)間，因而難以在微處理器中實(shí)現(xiàn)。2 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法分為對(duì)稱規(guī)則采樣法和