单相正弦波逆变电源.doc

大学生电子设计竞赛

设计课题：单相正弦波逆变电源
设计成员：潘群锋 苏剑军 郭善文
指导老师：苏伟达 李汪彪
李宏华 张荣辉
组 别：S018

2012.09.08
目录
摘要 .............................................................2
1. 方案论证 .............................................2
1.1. 方案一 ...............................................2
1.2. 方案二 ...............................................2
1.3. 最终方案 ...............................................3
2. 硬件设计 ......................................................3
2.1. DC-DC升压模块 ...........................4
2.2. MOS逆变模块 ........................................4
2.3. MOS驱动模块 ........................................5
2.4. 系统检测模块 ........................................6
2.5. 系统保护模块 ........................................7
2.6. 系统控制模块 ........................................8
2.7. 显示模块 ...............................................8
2.8. 系统温度检测模块 ........................................9
3. 软件设计 .....................................................10
3.1. 系统软件流程图 .......................................10
3.2. SPWM产生原理 .......................................11
4. 结语 .....................................................12

【摘要】本次单相正弦波逆变电源是一种以STM32为核心的逆变电源系统。系统逆变部分的SPWM控制脉冲波形完全由STM32生成,使用IR2110实现对功率管的驱动和保护,频率及电压可由LCD显示。系统具有良好过流保护功能，以控制系统工作状态。系统采用低功耗高效率设计，最大限度提高系统效率。本设计达到了最高设计要求，逆变电源输出波形失真小，动态特性好，可靠性高。
关键字： 逆变 正弦波 电源 STM32 SPWM
1. 方案论证
方案一
本方案由单片机产生SPWM波，通过全桥逆变电路直接实现DC-AC的转换，然后利用升压式高频变压器对逆变出的交流电进行升压，最后经过低通滤波电路把升压后的交流电整成正弦波，本系统兼有电压电流和频率检测功能，可通过闭环反馈来改变SPWM波的占空比和频率，以达到调压调频的目的。
此方案比较简单，但它确存在着不避免的缺陷，第一点就是高频变压器只适合传送高频载波信号，而对SPWM波中的低频基波信号将产生严重性的衰减，最后我们不能通过低通滤波得到较为理想的正弦波；第二，本系本主要通过高频变压器来升压，所以我们很难对最后的输出电压作出较准确的控制。于是我们提出了第二种方 案。
方案二
本方案分前级DCDC模块和后级DC-AC逆变模块，前级采用升压式拓朴结构构成输出电压可调的DC-DC模块，该模块主要为后级变换提供合适的电压，结合整个闭环系统来控制该模块的输出电压就能够达到准确控制AC输出电压的目的，这样就很好的避免了传统的通过改变SPWM波占空比来调压时造成输出正弦波畸变这一缺陷，为了得到稳定的正弦波，对正弦波的校正控制要求是一个慢调节过程，所以这种通过改变前级电压来控制后级输出的方式在精度上完全满足要求。
后级DC-AC的变换是利用专门的驱动芯片来驱动桥式逆变电路，用于驱动的SPWM信号由STM32产生。桥式逆变输出部分再经过低通滤波就可得到理想的正弦波。所以该系统较为灵活，当然这会在硬件 和软件上都对我们提出一种挑战。本系统液晶显示的友好人机界面及控制等功能。
通过上述的方案比较，本设计采用方案二。
1.1. 方案整体框图

逆变器
AC 26V
DC 24V
MOS逆变

DC~DC升压

MOS驱动

STM32
SPWM

PWM

输出电压、电流、
频率检测

输入电压、电流检测
AD

保护模块

温度检测
显示模块

控制模块
报警模块

2. 硬件设计
2.1. DC-DC升压模块
本设计为24V DC输入,输出26V AC,由于本设计对升压的范围要求并不算高,因此选用非隔离式的Boost升压结构,该升压方式,电源利用效率高,且升压简单易控。下图为其模块电路图：

该模块利用单片机产生pwm控制信号，根据输出电压的反馈信号对pwm占空比进行调节以实现稳压输出。
2.2. MOS逆变模块
逆变部分采用全桥DC-AC变换器。全桥电路中的互为对角的两个开关管同时导通，而同一侧的半桥的上下两开关管则是交替导通，将直流电压变成成幅值为的交流电压。且可以通过改变spwm的占空比来实现输出电压的改变。电路如下图所示：

2.3. MOS驱动模块
本系统用stm32单片机驱动IR2110，为了提高驱动的能力，在软件上对spwm输出口进行复用推挽，以增加驱动能力，电路如下图所示：

2.4. 系统检测模块
输入电压的检测采用电阻分压，经过运放隔离后送给stm32单片机的ad口进行实时检测，电路如图所示：

输入电流的检测采用一个0.1欧姆的康铜丝来检测，经过运放的放大，然后再到一级的运放隔离，再送给stm32检测，电路如下图所示：

交流检测部分由于输出为交流，所以输出电流的检测采用acs712芯片，该芯片的外围电路简单，隔离性好，输出为电压，然后送给stm32的ad口进行检测，电路如下图所示:

2.5. 系统保护模块
系统保护部分设立在系统输入部分，经过stm32对电流的检测，然后判断是否过流，然后对输入进行关断。电路如下图所示：

该部分设立了四个继电器，采用光耦隔离。但由于实际需要，只用到其中的两个继电器。

2.6. 系统控制模块
该图为stm32的管脚连接图：

2.7. 显示模块
采用12864液晶模块，可以显示更多的内容。按键部分设立了5个键，及一个旋转编码开关，对某些值的设定较为方便。

2.8. 系统温度检测模块
采用18b20温度探头，将其安置在四个mos管的附近，对周围的温度检测。

3. 软件设计
3.1. 软件系统流程图

3.2. SPWM产生原理
所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。 　　
该方法的实现有以下几种方案。 　　
1. 等面积法 　　
该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点. 　　
2. 硬件调制法 　　
硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。 　　
3. 软件生成法 　　
由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法：即自然采样法和规则采样法。
本系统选择等面积法。
根据公式：
占空比=(中值+幅值+Sin(2*PI*(i/点数)))
(0<=i<点数)
公式中的点数越大得到的正弦波频率越小，反之越大。
正弦波频率计算公式2:F=PWM频率/点数
根据公式计算出的正弦波稳定好看。
STM32软件控制算法，设置PWM频率，根据正弦波频率计算点数，设置PWM中断，每个PWM周期中断一次，进入中断中根据
公式1生成的正弦波重新设置占空比。
4. 结语
本文详细分析了一种正弦波输出的逆变电源的设计，以及基于单片机的数字化SPWM控制的实现方法。该电源设备结构合理，体积小、成本低、稳定。试验表明，逆变电源输出波形好，可实现调压调频，动态特性好，可靠性高。数字化SPWM控制灵活，电路结构简单，控制的核心部分在软件中，有利于保护知识产权。本文的创新点在于控制电路大为简化并且实现了全数字化，其系统能智能控制及监测。

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