1、1 / 56畢業(yè)設(shè)計(jì)論文逆變電源的設(shè)計(jì)目 錄引言11 緒論21.1 逆變電源的廣泛應(yīng)用 21.2 逆變電源的發(fā)展趨勢 31.3 本課題的任務(wù) 32 逆變電源原理52.1 開關(guān)逆變電源原理 52.2 SPWM 概述 62.3 SPWM 調(diào)制 72.3.1 單極性正弦波脈寬調(diào)制方式 82.3.2 雙極性正弦波脈寬調(diào)制方式 92.4 SPWM 的采樣方法 102.4.1 自然采樣法 102.4.2 規(guī)則采樣法 102.4.3 等面積法 112.5 SPWM 生成方法 112.5.1 調(diào)制過程特征 132.5.2 載波比(N)152.5.3 脈沖的占空度 172 / 562.6 本章小結(jié) 173 逆變

2、主電路設(shè)計(jì)184 直流升壓電路設(shè)計(jì)194.1 直流升壓主電路拓?fù)浯_定 194.1.1 升壓環(huán)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較 194.2 升壓電路選擇 204.3 本章小結(jié) 215 控制電路設(shè)計(jì)225.1 PIC16F73 單片機(jī)與外圍電路設(shè)計(jì) 225.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 225.3 本章小結(jié) 256 逆變電路設(shè)計(jì)266.1 逆變電路拓?fù)浯_定 266.2 逆變主電路的選擇 276.3 逆變主電路元器件與其參數(shù)選擇 286.4 本章小結(jié) 287 采樣反饋保護(hù)電路設(shè)計(jì)297.1 采樣反饋電路設(shè)計(jì) 297.2 保護(hù)電路設(shè)計(jì) 297.2.1NMOS 過流保護(hù)的必要性 297.2.2 設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路要求 307.2.3

3、保護(hù)電路設(shè)計(jì) 307.3 本章小結(jié) 318 軟件設(shè)計(jì)328.1 正弦波脈寬的生成 328.2 軟件設(shè)計(jì) 328.3 本章小結(jié) 359 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與展望369.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 369.2 展望 373 / 5610 總結(jié)3810.1 設(shè)計(jì)中的不足 38辭39參考文獻(xiàn)40附錄41附錄 1 單片機(jī)控制電路 PCB41附錄 2 驅(qū)動(dòng)電路 PCB41附錄 3 逆變電路 PCB42附錄 4 電壓反饋保護(hù)電路 PCB42附錄 5 程序清單 431 / 56引言隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和國外能源供應(yīng)的緊，電能的開發(fā)和利用顯得更為重要。目前，國外都在大力開發(fā)新能源，如太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電等。一般情況下，這些

4、新型發(fā)電裝置輸出不穩(wěn)定的直流電，不能直接提供給需要交流電的用戶使用。為此，需要將直流電變換成交流電，需要時(shí)可并入市電電網(wǎng)。這種 DC-AC 變換需要逆變技術(shù)來完成。用電設(shè)備對市電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染，反過來，被污染的市電電網(wǎng)也會(huì)使用電設(shè)備工作不正常，用電設(shè)備之間通過市電電網(wǎng)相互干擾。為解決此問題，必須提高市電電網(wǎng)的供電質(zhì)量。以逆變技術(shù)為基礎(chǔ)的電力有源濾波器和電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器可以凈化市電電網(wǎng)，使其為用電設(shè)備提供高質(zhì)量的電能。由于在用電高峰期間或者雷電、暴風(fēng)雨等自然災(zāi)害可能造成市電電網(wǎng)的超量波動(dòng)，甚至供電中斷。這將造成用電設(shè)備工作失常，特別是計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)丟失或者硬件的損壞。為此，需要不間斷電源（U

5、PS）來保證計(jì)算機(jī)的運(yùn)行安全。UPS 中的核心部件是逆變器。本文的主要工作就是利用單片機(jī)設(shè)計(jì)正弦波逆變電源。第一章介紹了逆變電源的發(fā)展與應(yīng)用；第二章介紹了逆變的工作原理；第三章到第六章介紹了本設(shè)計(jì)的硬件電路選擇和軟件設(shè)計(jì)；第七章是保護(hù)電路和反饋電路的介紹；第八章是調(diào)試樣機(jī)的結(jié)果介紹與對所做的工作的一些展望；最后是總結(jié)。2 / 561 緒論1.1 逆變電源的廣泛應(yīng)用現(xiàn)代逆變電源以其高集成度、高性能比、最簡的外圍電路、最佳的性能指標(biāo)等顯著優(yōu)點(diǎn)而受到青睞，可以說逆變電源從問世以來就引起了國外電源界的普遍關(guān)注。隨著逆變電源技術(shù)的不斷完善，逆變電源已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備、儀器儀表、通信設(shè)備和家

6、用電器中。近年來隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，人們對逆變電源的需求也與日俱增，逆變電源也因此顯示了其強(qiáng)大的生命力。逆變技術(shù)在新能源的開發(fā)與利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。21世紀(jì)是能源開發(fā)、資源利用與環(huán)境保護(hù)互相協(xié)調(diào)發(fā)展的世紀(jì)，能源的優(yōu)化利用與清潔能源的開發(fā)，是能源資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。具有世界三大能源之稱的石油、天然氣和煤等化石燃料將逐漸被耗盡，氫能源與再生能源將逐漸取代化石料而成為人類使用的主體能源，這種能源的變遷將迫使發(fā)電方式產(chǎn)生一次大變革，使用氫能源與再生能源的高效低污染燃料電池發(fā)電方式將成為主體發(fā)電方式。因此，除此之外逆變技術(shù)還有下列主要應(yīng)用:(l)交流電機(jī)變頻調(diào)速:采用

7、逆變技術(shù)將市電電網(wǎng)電壓變換成幅值可調(diào)、頻率、可調(diào)的交流電供給交流電動(dòng)機(jī)，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可用于控制風(fēng)機(jī)、水泵、機(jī)床、軋機(jī)、機(jī)車牽引、電梯、傳動(dòng)與空調(diào)器等很多領(lǐng)域。(2)UPS電源系統(tǒng):在許多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、檢測設(shè)備等都需要采用UPS電源。UPS電源主要由整流器(包括充電器)和逆變器組成。在市電有電時(shí)，整流器為蓄電池充電;在市電停電時(shí)，蓄電池通過逆變器向負(fù)載繼續(xù)供電。(3)電動(dòng)汽車:隨著汽車數(shù)量的不斷增加，排放氣體對環(huán)境造成的污染越來越嚴(yán)重，已經(jīng)成為空氣污染的主要來源。各大汽車公司均投入巨資積極發(fā)展電動(dòng)汽車。不管是采用蓄電池的電動(dòng)汽車還是采用燃料電池的電動(dòng)汽車，在用交流電

8、動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力時(shí)，都必須用逆變器把電池的直流電能變換成交流電能來驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。(4)感應(yīng)加熱:中頻爐、高頻爐與電磁灶等設(shè)備都是采用逆變技術(shù)產(chǎn)生交流電，從而產(chǎn)生交變磁場，金屬在磁場中產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，從而達(dá)到加熱的目的。(5)諧波治理:市電電網(wǎng)中的諧波，主要是由各種電力電子裝置、變壓器、熒光燈等產(chǎn)生的。采用由逆變器制成的電力有源濾波器APF和靜止無功功率補(bǔ)償器SVC，可以有效地治理市電電網(wǎng)的諧波污染。這是當(dāng)前正在興起的一門新技術(shù)。另外，逆變技術(shù)在弧焊電源、通信開關(guān)電源、醫(yī)用電源、變頻電源以與航空逆變器等領(lǐng)域都有應(yīng)用。總之，逆變器技術(shù)已經(jīng)涉與各行各業(yè)，以與各種領(lǐng)域的用電設(shè)備。3 / 561.2 逆變

9、電源的發(fā)展趨勢逆變器也稱逆變電源，通過半導(dǎo)體功率開關(guān)的開通和關(guān)斷作用，將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的一種變換裝置，是整流變換的逆過程，是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件。逆變技術(shù)的原理早在1931年就有人研究過。從1948年美國西屋電氣公司研制出第一臺(tái)逆變器：感應(yīng)加熱逆變器至今已有近60年歷史了，而晶閘管SCR的誕生為正弦波逆變器的發(fā)展創(chuàng)造了條件，到了20世紀(jì)70年代，可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力晶閘管(BJT)的問世使得逆變技術(shù)得到發(fā)展應(yīng)用。到了20世紀(jì)80年代，功率場效應(yīng)管(MOSFET)、絕緣柵極晶體管(IGBT)、MOS控制晶閘管(MCT)以與靜電感應(yīng)功率器件的誕生為逆變器

10、向大容量方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，因此電力電子器件的發(fā)展為逆變技術(shù)高頻化、大容量化創(chuàng)造了條件。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，逆變技術(shù)開始從應(yīng)用低速器件、低開關(guān)頻率逐漸向采用高速器件、提高開關(guān)頻率的方向發(fā)展，使逆變器體積進(jìn)一步減小，效率進(jìn)一步提高，正弦波逆變器的品質(zhì)指標(biāo)也得到很大提高。另一方面，微電子技術(shù)的發(fā)展為逆變技術(shù)的實(shí)用化建立了很好的平臺(tái)，傳統(tǒng)的逆變器需要通過許多的分立元件或模擬集成電路加以完成。隨著逆變技術(shù)復(fù)雜程度的增加，所需處理的信息量越來越大，而微處理器的誕生正好滿足了逆變技術(shù)的發(fā)展要求，從8位的帶有PWM口的微處理器到單片機(jī)，發(fā)展到今天的32位DSP器件，使先進(jìn)的控制技術(shù)如矢量控制技術(shù)、模糊控

11、制等在逆變領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。總之，逆變電源雖然發(fā)展歷史不長，但是發(fā)展速度迅速，它是一種更新?lián)Q代的革命性電源。逆變電源在現(xiàn)代援術(shù)與新器件的支持下，無論是可靠性還是性能價(jià)格比，以與高效節(jié)能方面，都將不斷進(jìn)步和提高。電力電子功率開關(guān)器件向高壓大容量化、集成化、全控化、高頻化與多功能化的方向發(fā)展，材料學(xué)科的超導(dǎo)材料和軟磁材料的驚人發(fā)展速度以與智能化控制技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，都促使逆變電源向著高效率、大功率、高可靠性的方向發(fā)展。因此，逆變電源的開發(fā)、研制、生產(chǎn)成為發(fā)展前景十分誘人的。1.3 本課題的任務(wù)本課題設(shè)計(jì)主要論述了基于單片機(jī)控制逆變穩(wěn)壓電源的基本原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)過程,并且在搭接實(shí)驗(yàn)電路之前

12、,利用仿真工具軟件對所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真,驗(yàn)證電路的可行性,最后在此基礎(chǔ)上完成樣機(jī)的調(diào)試工作。本文設(shè)計(jì)的電源是輸入電壓為36V48V，負(fù)載電流有效值為 0.11A 時(shí)，輸出線電壓有效值應(yīng)保持在 220V,在設(shè)計(jì)中,我們采用 SPWM 逆變控制技術(shù),單片機(jī)控制輸出 SPWM 波,驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件的電壓型逆變電路,最后把直流電壓逆變成穩(wěn)定的交流電壓。下面是本文所做的主要工作：4 / 561在比較全橋、半橋與推挽3種拓?fù)涓髯蕴攸c(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用并聯(lián)MOS管驅(qū)動(dòng)的推挽變換器作為前級DC/DC升壓電路，并實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能；2選用Microchip公司的高性能16位單片機(jī)為主控核心，并設(shè)計(jì)逆變系統(tǒng)的控制電路與相

13、關(guān)軟件；3采用前饋加反饋的復(fù)合控制策略，使系統(tǒng)的電壓、頻率精度分別為220V+5、50Hz、a：05；4研制一臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行逆變系統(tǒng)樣機(jī)，優(yōu)化各模塊間的布局；實(shí)現(xiàn)輸入過欠壓、輸入過流、輸出過載、輸出短路、等保護(hù)功能。5 / 562 逆變電源原理2.1 開關(guān)逆變電源原理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)，其效果基本一樣，沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本提同，是指環(huán)節(jié)輸出效應(yīng)波形基本一樣。如果個(gè)輸出波形的傅立變換進(jìn)行頻譜分析，可發(fā)現(xiàn)它們的低頻段特往非常接近，僅在高頻僅略有差異。例如圖2-1a、b、c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，(圖2-1a為矩形脈沖

14、，圖2-1b為三角形脈沖，圖2-1c正弦半波脈沖)但是它們的面值(即沖量)都等于l，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本一樣。脈沖越窄，其輸出的差異越小。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D2-1d的單位脈沖函數(shù)f(t)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過度函數(shù)。f（t）f（t）f（t）f（t）d）c）b）a）0000圖2-1形狀不同而沖量一樣的各種脈沖上述結(jié)論是SPWM的重要基礎(chǔ)，用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等6 / 56幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。SPWM波形脈沖寬度

15、按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的SPWM波形。 uowtouwta)b)圖 2-2 用 SPWM 波代替正弦半波 要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可得到 SPWM 電流波：電流型逆變電路進(jìn)行 SPWM 控制，得到的就是 SPWM 電流波。SPWM 波形可等效的各種波形： 直流斬波電路：等效直流波形 SPWM 波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和 SPWM 控制一樣，也基于等效面積原理。2.2 SPWM 概述所謂SPWM技術(shù)就是用功率器件的開通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖系列，以實(shí)現(xiàn)變壓變頻與控制和消除諧波為目標(biāo)的技術(shù)，

16、也就是利用相當(dāng)于基波分量的信號波對三角載波進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的一種方法。這里所謂相當(dāng)于基波分7 / 56量的信號波并不一定指正弦波，在SPWM優(yōu)化模式控制中可以是預(yù)畸變的信波，當(dāng)然不同信號調(diào)制后生成的SPWM脈寬對變頻效果，比如輸出基波電壓幅值、基波轉(zhuǎn)矩、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩、諧波電流損耗、功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)損耗等的影響差異很大。SPWM技術(shù)最初應(yīng)用于直流變換電路，隨后將這種方式與頻率控制相結(jié)合，產(chǎn)生了應(yīng)用于逆變電路的SPWM控制技術(shù)。用改變調(diào)制信號頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波頻率的調(diào)節(jié)：用改變調(diào)制信號幅值實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波幅值的調(diào)節(jié)。具體來說，就是用一種參考正弦波為“調(diào)制波”，而以N倍于調(diào)制波頻

17、率的三角波為“載波”。由于三角波或鋸齒波的上下寬度是線性變化的波形，因此它與調(diào)制波相交時(shí)，就可以得一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波函數(shù)值的矩形脈沖序列用來等效調(diào)制波，用開關(guān)量取代模擬量，并通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變換成交流電。隨著逆變器在交流傳動(dòng)、UPS電源和有源濾波器中的廣泛應(yīng)用，以與高速全控開關(guān)器件的大量出現(xiàn)，SPWM技術(shù)己成為逆變技術(shù)的核心，因而受到了人們的高度重視。尤其是最近幾年，微處理器應(yīng)用于SPWM技術(shù)和實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制以后，更是花樣翻新，到目前為止仍有新的SPWM控制方式在不斷出現(xiàn)。目前已經(jīng)提出并得到應(yīng)用的SPWM控制技術(shù)就不下十種。尤其是微處理器應(yīng)用于SPWM技術(shù)之

18、后，SPWM技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，從追求電壓的正弦波到電流的正弦波，再到磁通的正弦波；從效率最優(yōu)到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，再到噪音最小等，SPWM控制技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。2.3 SPWM 調(diào)制 SPWM 脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實(shí)現(xiàn)。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個(gè)作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動(dòng)態(tài)性能。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。利用 SPWM 逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關(guān)斷器件，開關(guān)

19、頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。SPWM 變頻電路具有以下特點(diǎn)：1. 可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓；2. 整流電路采用二極管，可獲得接近 1 的功率因數(shù)；3. 電路結(jié)構(gòu)簡單；4. 通過對輸出脈沖寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng),現(xiàn)在通用變頻器基本都再用 SPWM 控制方式，所以介紹一下SPWM 控制的原理。 控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論，即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，其效果基本一樣。沖量既指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本一樣。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本一樣。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。

20、根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來代替正弦波，通過對矩形波的控制8 / 56來模擬輸出不同頻率的正弦波。例如，把正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半波看成由 N 個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 /n ，但幅值不等，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用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是 SPWM 波形。可以看出，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果一樣的原理，SPWM 波形和正弦半波是

21、等效的。對于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 SPWM 波形。在 SPWM 波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交直交變頻器中，整流電路采用不可控的二極管電路即可，SPWM 逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個(gè)周期的脈沖數(shù)后，SPWM 波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的 SPWM 波形。2.3.1 單極性正弦波脈寬調(diào)制方式所謂單極性控制是指在輸出波形的半個(gè)周期，逆變器同一橋臂中的兩個(gè)開關(guān)元件只有一個(gè)處于不

22、斷切換的開關(guān)狀態(tài)，另一個(gè)則始終處于關(guān)斷狀態(tài)。因此，輸出波形在任何半周期始終為一個(gè)極性，單極性控制方式的 SPWM 波形如圖 2-3 所示，載波信號Ur 采用單極性等腰三角形波，控制信號 U c 為正弦波形。當(dāng) U cUr 時(shí)，元件開通；當(dāng) U c*Rxl 時(shí)，PWM 單元的引腳開始輸出低電平；當(dāng)TMR2=PR2 時(shí)，TMR2 被歸 0，并重新開始下一個(gè)周期計(jì)數(shù)，同時(shí) PWM 單元重新輸出高電平。當(dāng) TMR2 的中斷標(biāo)志位 TMR2IF 被置高電平時(shí)，系統(tǒng)將執(zhí)行定時(shí)中斷服務(wù)程序，圖8-1 所示是其 SPWM 流程圖。中斷程序完成查找正弦表值和 A/D 取樣值后，再進(jìn)行 PI 調(diào)節(jié)，即可得出修正值

23、，并將該修正值寫入*RxL 寄存器中。8.2 軟件設(shè)計(jì)由于單片機(jī)PIC16F73具有強(qiáng)大的功能，困此用其作為逆變電源的主控芯片是很方便的。利用單片機(jī)自身提供的PWM功能，輸出SPWM驅(qū)動(dòng)脈沖，利用A/D轉(zhuǎn)換接口，進(jìn)行逆變器輸出過載、過電壓以與蓄電池欠壓采樣，然后通過編程來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種保護(hù)功能。PIC16F73單片機(jī)部含有兩個(gè)CCP模塊，都可以用來產(chǎn)生PWM波。對于PWM信號來說，周期和脈寬是兩個(gè)必不可少的參數(shù)，PIC16F73單片機(jī)將PWM周期儲(chǔ)存在PR2寄存器中，而將PWM信號高電平時(shí)間值即脈寬值儲(chǔ)存在CCPR1L或CCPR2L寄存器中。部定時(shí)器在計(jì)數(shù)過程中不斷與這兩個(gè)寄存器的值相比較，達(dá)

24、到設(shè)定時(shí)間時(shí)輸出電平產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而控制PWM信號的周期和占空比。SPWM信號要求脈寬按正弦規(guī)律變化，因此每一個(gè)PWM周期脈寬都要改變，由單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波的基本思想就是在初始化時(shí)將PWM周期值設(shè)定，然后用定時(shí)器定時(shí)，每個(gè)周期產(chǎn)生一次中斷，來調(diào)整脈寬，從而得到脈寬不斷變化的SPWM波。但實(shí)際上，SPWM頻率一般都很高，周期很短，要在每一個(gè)周期都完成脈寬的調(diào)整比較困難。本系統(tǒng)中，SPWM周期為20KHZ,設(shè)置每六個(gè)周期改變一次脈寬。在軟件設(shè)計(jì)中，將CCP2模塊作為PWM輸出口，CCP1模塊采用比較功能，單片機(jī)時(shí)鐘為20MHZ,計(jì)時(shí)步階0.2us。首先建立正弦表，在一個(gè)完整正弦周期中，采樣6

25、4個(gè)點(diǎn)，采樣點(diǎn)正弦值與正弦波峰值的比值就是該點(diǎn)SPWM信號的占空比。然后根據(jù)SPWM周期計(jì)算出各點(diǎn)的脈寬值，轉(zhuǎn)換成計(jì)時(shí)步階，做成正弦表（表8-1），供CCP1中斷子程序調(diào)用。這64個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔也轉(zhuǎn)換成計(jì)時(shí)步階儲(chǔ)存到CCPR1H和CCPR1L寄存器中，程序運(yùn)行過程中，計(jì)數(shù)器TIMER1不斷和這個(gè)寄存器的值相比較，達(dá)到設(shè)定值時(shí)CCP1產(chǎn)生中斷，TIMER1重新計(jì)時(shí)。中斷服務(wù)子程序用來修改SPWM信號的占空比。表8-1 正弦表5101419242933384347525761667075838892961001041081121161201241271311341381411481511541

26、5715916216516717017217417617818018218418718818919019119219319419419419519519519519519419419419319219119018918818718518418218033 / 56清中斷標(biāo)志位清定時(shí)器 1讀取 AD 轉(zhuǎn)換值計(jì)算輸出電壓偏差表指針到最大？表指針加 1計(jì)算 PWM 占空比中斷返回查正弦表更新 PWM 占空比返回表頭正半波？正負(fù)半波信號置1YNYN176174172170167165162159157154151148144141138134127124120116112108104100969288

27、8379757066575247433833292419141050其流程圖如圖 8-1 所示，主程序?yàn)橐粋€(gè)無窮循環(huán)，等待中斷發(fā)生。本程序中共用到了三個(gè)中斷：CCP1 比較中斷，用來調(diào)整 SPWM 脈寬，中斷周期為 306us；T0 定時(shí)中斷，每隔一段固定的時(shí)間進(jìn)行一次輸出電壓反饋采樣值的 A/D 轉(zhuǎn)換,在單片機(jī)初始化時(shí)，將T0 的中斷周期設(shè)為 153us,產(chǎn)生一次中斷后，將周期改為 306us；A/D 轉(zhuǎn)換單片機(jī)產(chǎn)生SPWM 波。34 / 56圖8-1程序流程圖A/D轉(zhuǎn)換完成產(chǎn)生中斷，處理轉(zhuǎn)換值，中斷周期為20us。在程序開始運(yùn)行后，首先發(fā)生CCP1中斷，使單片機(jī)按正弦表的第一個(gè)脈寬值輸出S

28、PWM波，153us后，產(chǎn)生T0中斷，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將T0中斷周期改306us。 20us后轉(zhuǎn)換完成，產(chǎn)生A/D中斷。然后又是CCP1中斷，讀取A/D轉(zhuǎn)換值和正弦表來調(diào)整脈寬。這樣周而復(fù)始，產(chǎn)生連續(xù)不斷的SPWM控制信號。中斷循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖8-2所示。圖 8-2 中斷循環(huán)中斷程序如下：void interrupt key_ccp_timer() if(TMR2IF&TMR2IE)TMR2IF=0;/定時(shí)器 2 中斷服務(wù)函數(shù) if(sin_num=31)sin_num=0;sin_up=!sin_up; sin_d=sin_sin_num; sin_l=sin_am*sin_d;if(sin_

29、l=255)sin_l=255;/限幅 if(sin_up) CCPR2L=(unsigned char)sin_l;CCPR1L=0;/換向 else CCPR1L=(unsigned char)sin_l;CCPR2L=0;/換向 sin_num+; CLRWDT();/清除看門狗 if(RBIF&RBIE)RBIF=0;if(!RB6)&power_ie)k=1;/端口 b 中斷服務(wù)函數(shù) if(TMR1IF&TMR1IE)TMR1IF=0;tm_sum+;if(tm_sum=31)tm_sum=0;tmr_s=!tmr_s;tmr_d=1;8.3 本章小結(jié)本章首先介紹了本系統(tǒng)所采用的雙極

30、性調(diào)制理論以與SPWM波的參數(shù)選擇和生成方法；最后給出了系統(tǒng)軟件的主程序流程圖和中斷程序的介紹，程序詳見附錄。35 / 569 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與展望9.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果最后，我們用Protel99SE畫出系統(tǒng)的電路圖和PCB板圖，按照前面所討論得到的各部分元器件的技術(shù)參數(shù)搭接一臺(tái)樣機(jī)。設(shè)計(jì)中不僅考慮了部主電路元件的安裝工藝和位置，而且注意了功率開關(guān)工作的電磁輻射和干擾屏蔽問題，在各種條件下，對系統(tǒng)進(jìn)行了嚴(yán)格的性能測試，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明完全滿足設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，并完成了各項(xiàng)功能測試實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下表：圖9-1為單片機(jī)輸出波形；圖9-2為樣機(jī)輸出正弦波形。表9-1系統(tǒng)性能指標(biāo)直流輸入額定電壓42V直流輸

31、入電壓圍3648V3648V額定輸出功率200W交流輸出額定電壓、頻率220V50Hz交流輸出電壓精度2205頻率精度50O.3效率90圖9-1單片機(jī)輸出波形36 / 56 圖9-2輸出正弦波形9.2 展望隨著近幾年太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電技術(shù)我國的廣泛推廣和應(yīng)用，以與相關(guān)電力變換技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，風(fēng)/光互補(bǔ)復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)將具有越來越廣的市場前景。為滿足不同用戶的不同需求，應(yīng)拓寬系統(tǒng)的應(yīng)用圍，由于作者水平有限，再加上時(shí)間倉促，有一些工作需要進(jìn)一步完善：1)提高穩(wěn)定性作為數(shù)字控制應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力還有待提高，如何在比較惡劣的工作環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行是一個(gè)今后需要解決的問題

32、。2)并聯(lián)逆變技術(shù)逆變電源的并聯(lián)運(yùn)行作為一種電源冗余方案，能夠極大的提高電源系統(tǒng)的可靠性、可用性以與系統(tǒng)的容量，它是交流電源系統(tǒng)從傳統(tǒng)的集中式供電向分布式供電模式發(fā)展的一個(gè)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)本系統(tǒng)可以考慮采用并聯(lián)逆變技術(shù)，并聯(lián)技術(shù)的難點(diǎn)是輸出電壓的同步和動(dòng)穩(wěn)態(tài)均流。并聯(lián)逆變技術(shù)也是逆變技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。3)并網(wǎng)逆變器采用多種能源并聯(lián)組成的分布式發(fā)電系統(tǒng)，是大力發(fā)展可再生能源，提高供電電源可靠性，擴(kuò)大供電系統(tǒng)容量的重要途徑。分布式能源系統(tǒng)的供電可以由多種能源經(jīng)電力變換組網(wǎng)形成，其各供電單元具有分散性，且均并接于交流電網(wǎng)母線上。并網(wǎng)逆變器的控制相對于獨(dú)立逆變電源要復(fù)雜，為使系統(tǒng)具有更廣闊的應(yīng)用前

33、景，將系統(tǒng)升級為獨(dú)立逆變/并網(wǎng)逆變兩種工作方式是必要的。37 / 5610 總結(jié)本文在設(shè)計(jì)和開發(fā)大功率逆變電源的過程中，運(yùn)用仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，達(dá)到了事半功倍的效果。在仿真階段，即對電源電路的運(yùn)行情況進(jìn)行了檢驗(yàn)，對電路存在的問題進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)的方法，不斷完善電路的性能。在仿真的基礎(chǔ)上，安裝和調(diào)試了樣機(jī)。所以在電源系統(tǒng)的研制過程中，我們應(yīng)當(dāng)適時(shí)地采用仿真技術(shù)，提高電源設(shè)計(jì)的效率。通過大功率逆變電源的設(shè)計(jì)和論文的撰寫，使我獲得了研發(fā)逆變電源的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)使我對逆變電源技術(shù)有了更深入的了解，為今后的工作提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。基于對本課題的設(shè)計(jì)與調(diào)試，己基本完成該電源的指標(biāo);由于很多無法預(yù)料的

34、因素，在調(diào)試時(shí)遇到許多問題無法解釋清楚。同時(shí)，由于水平有限，尤其對軟件設(shè)計(jì)和軟件編程方面還有所欠缺，本課題中，軟件開發(fā)和程序編寫是與他人合作開發(fā)得到。希望自己能在以后的學(xué)習(xí)和工作中加強(qiáng)這方面能力。在整個(gè)電路的研究過程中，有如下心得和體會(huì)：1由于整個(gè)系統(tǒng)涉與到強(qiáng)電、模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)與軟件編程等方面的知識(shí)，是一個(gè)自動(dòng)化知識(shí)綜合應(yīng)用的系統(tǒng)，需要大量的理論知識(shí)，所以，在理論學(xué)習(xí)階段，要打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這樣就可以少走彎路；2在硬件設(shè)計(jì)和制作的過程中，要細(xì)心認(rèn)真，態(tài)度端正，盡量減小硬件電路中的干擾和誤差；3電力電子變流技術(shù)的學(xué)習(xí)主要要把握三個(gè)方面：主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析、控制電路的設(shè)計(jì)、主

35、要開關(guān)器件的特性分析；4. 設(shè)計(jì)輸入電流與輸入電壓的相位智能跟蹤控制，使測試電源功率因數(shù)進(jìn)一步提高。10.1 設(shè)計(jì)中的不足本次設(shè)計(jì)的逆變電源采用數(shù)字控制技術(shù)，控制性能不是很好，功能基本完善。由于時(shí)間和本人水平有限，在電源的設(shè)計(jì)中還存在著一些有待改進(jìn)的地方。由于缺乏對逆變環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的分析，只是采用工程整定的方法設(shè)計(jì)控制的參數(shù)，造成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制性能不是很好。逆變電源的調(diào)試結(jié)果也沒有得到理想中的波形。38 / 56 辭本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，得到郭福力老師的悉心指導(dǎo)，無論是設(shè)計(jì)方案的選擇、芯片的選擇、硬件電路的設(shè)計(jì)還是論文的撰寫，郭老師都給予了指導(dǎo)和幫助，在此對郭老師表示我最真摯的感，并祝他身體健康，工作

36、愉快。其次，在硬件制作過程與調(diào)試得到了同學(xué)對我的幫助；在此對他們表示誠摯的感，并祝他們學(xué)習(xí)進(jìn)步。最后，還要感所有的課堂老師，他們的豐富教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和孜孜不倦的教導(dǎo)，才使我們打好基礎(chǔ)知識(shí)，把所學(xué)的知識(shí)很好地應(yīng)用在今天的設(shè)計(jì)中。39 / 56參考文獻(xiàn)1何希才，江云霞編著. 現(xiàn)代電力電子技術(shù). ：國防工業(yè)，1996.2 德金. MCS-51 系列單片機(jī)接口電路與應(yīng)用程序設(shè)計(jì). ：航空航天大學(xué)，1999.3 陸坤等.電子設(shè)計(jì)技術(shù)M. ：電子科技大學(xué)，1997.4 袁濤等編著.單片 C 高級語言程序設(shè)計(jì)與其應(yīng)用M. ：航空航天大學(xué)，2001.5筑森. 單片機(jī)開發(fā)與典型應(yīng)用設(shè)計(jì)M. ：機(jī)械工業(yè)，1997.6

37、胡偉，季曉衡編著. 單片機(jī) C 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例M. ：人民郵電，2003.7公茂法等編著. 單片機(jī)人機(jī)接口實(shí)例集M.：航空航天大學(xué)，1998.8（意）賈西歐著，鼎等譯. 32 位單片機(jī) C 語言編程. ：人民郵電.9湯競南編著. PIC 單片機(jī)基礎(chǔ)與應(yīng)用. ：人民郵電.10明峰. PIC 單片機(jī)入門與實(shí)戰(zhàn). ：人民郵電.11乾龍盛. PIC單片機(jī)實(shí)用教程. ：人民郵電.12英劍. 新型開關(guān)電源實(shí)用技術(shù). 電子工業(yè)，1999.13 占松. 高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源(第一版). 科技，1992.14 國呈. PWM變頻調(diào)速與軟開關(guān)電力變換技術(shù)(第一版). 機(jī)械工業(yè)，2001.15何應(yīng)龍，雪銀. PIC

38、16C7X入門與應(yīng)用例.清華大學(xué)，2002.16譚政華等. 智能化逆變電源研制與其SPWM波軟件生成. 交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2000年2月，第34卷第2期.17David E. Johnson .et al.Electric circuit analysisM. Prentice Hall.1997.40 / 56附 錄附錄 1 單片機(jī)控制電路 PCB附錄 2 驅(qū)動(dòng)電路 PCB41 / 56附錄 3 逆變電路 PCB附錄 4 電壓反饋保護(hù)電路 PCB42 / 56附錄 5 程序清單/- / spwm 信號調(diào)制 /- #include #include /系統(tǒng)配置 _CONFIG(HS&PWRTEN

39、&BOREN&PROTECT&WDTEN); /打開看門狗,選擇高速晶振,上電延時(shí)復(fù)位,掉電復(fù)位使能,代碼保護(hù) /- /指示燈宏定義 #define L1_RED_ON RB1=1;RB2=0;/L1 紅燈亮 #define L1_OFF RB1=0;RB2=0; #define L2_RED_ON RB4=1;RB3=0;/L2 紅燈亮 #define L2_OFF RB4=0;RB3=0; #define L3_RED_ON RB7=1;RB5=0;/L3 紅燈亮 #define L3_OFF RB7=0;RB5=0; #define L1_GREE_ON RB2=1;RB1=0;/L1

40、綠燈亮 #define L2_GREE_ON RB3=1;RB4=0;/L2 綠燈亮 #define L3_GREE_ON RB5=1;RB7=0;/L3 綠燈亮 /- /模擬輸入通道宏定義 #define AN0 CHS2=0;CHS1=0;CHS0=0; #define AN1 CHS2=0;CHS1=0;CHS0=1; #define AN2 CHS2=0;CHS1=1;CHS0=0; 43 / 56/- /- void adc_init() /ad 時(shí)鐘選擇 ADCS1=1;/FOSC/32 ADCS0=0; /*IF CPU IS PIC16F7X7 VCFG1=0; VCFG0=0

41、;/vref=vdd-vss */ PCFG0=0; PCFG1=0; PCFG2=0;/VREF=VDD-VSS ADON=1;/打開 ad 模塊 ADIF=0;/清除 ad 中斷標(biāo)志 ADIE=0;/打開 ad 模塊中斷 /- void port_init()/端口初始化 /端口 b 設(shè)置 TRISB0=0;TRISB1=0;TRISB2=0;TRISB3=0;TRISB4=0;TRISB5=0; TRISB6=1;/輸入 TRISB7=0;/RB 端口方向設(shè)置 44 / 56PORTB=0;/輸出 0 RBPU=0;/使能部弱上拉 INTE=0;/禁止 RB0 中斷 RBIF=0; RB

42、IE=1;/允許 RB 端口電平變化中斷 /端口 c 設(shè)置 TRISC=0X00;/PORTC are outputs PORTC=0;/輸出為 0 RC1=RC2=0; RC3=1;RC4=0; /timer0 init T0CS=0;/選擇部指令時(shí)鐘 T0IF=0; /T0IE=1;/在第一次 ccp1 比較后打開中斷使能 /timer1 TMR1CS=0;/定時(shí)器模式 /- /- /軟件延時(shí)子程序*/ void DELAY() unsigned int i; for(i=2000;i0;i-); 45 / 56/- void init_start()/開始 L1_RED_ON;L2_RE

43、D_ON;L3_RED_ON; DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELA

44、Y();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); L2_OFF;L3_OFF;L1_OFF; DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); D

45、ELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); 46 / 56DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); L1_GREE_ON;L2_GREE_ON;L3_GREE_ON; DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY

46、(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); DELAY();DELAY();DELAY();DELAY(); L2_OFF;L3_OFF;L1_OFF; /- bit k,p

47、ower;/關(guān)機(jī)與按鍵標(biāo)志 bank1 unsigned char tm_sum;/系統(tǒng)實(shí)際變量 bank1 unsigned char ad_res_1,ad_res_0,ad_res_2; /ad 轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器 bank1 float sin_am,sin_l,sin_d;/浮點(diǎn)數(shù),幅值變量,臨時(shí)變量,臨時(shí)變量 bit sin_up;/sin 函數(shù)正負(fù)半周標(biāo)志 bit tmr_s,tmr_d,crut_ie;/定時(shí)標(biāo)志,定時(shí)標(biāo)志變化標(biāo)志,電流延時(shí)保護(hù)允許 unsigned char crut_tmr;/電流延時(shí)時(shí)間變量 unsigned char power_s;/電源動(dòng)作延時(shí)變量 47

48、 / 56bit power_ie;/電源允許動(dòng)作標(biāo)志 bit power_up;/初次開機(jī)標(biāo)志 unsigned char power_up_s;/初次開機(jī)延時(shí)標(biāo)志 bit crut_if;volue_if; /-AD1 通道轉(zhuǎn)換- void ad_0() AN0;/選擇通道 0 DELAY();/延時(shí),采樣電容充電 ADGO=1;/開器 AD while(ADGO);/等待 ad 結(jié)束 ad_res_0=ADRES;/結(jié)果轉(zhuǎn)存到變量 AD_RES_0 /-AD1 通道轉(zhuǎn)換- void ad_1() AN1; DELAY(); ADGO=1;while(ADGO); ad_res_1=ADR

49、ES; if(ad_res_1132)sin_am-=0.005;if(ad_res_1-132)10)sin_am-=0.04; else if(ad_res_1=130)sin_am+=0; else if(ad_res_110)sin_am+=0.04; if(sin_am1.6)sin_am=1.6; 48 / 56 /-AD2 通道轉(zhuǎn)換- void ad_2() AN2; DELAY(); ADGO=1;while(ADGO); ad_res_2=ADRES; /- const unsigned char sin_=40,50,73,85,100,113,127,141,157,17

50、0,180,189,196,200,203, 204,/正半周 204,/負(fù)半周 203,200,195,188,179,169,157,144,129,113,96,78,59,39,15; unsigned char sin_num;/SIN 函數(shù)表查表變量 /- void CCP_start() CCPR2L=0X0;/設(shè)置 CCP2,0%的脈寬輸出 CCPR1L=0X0;/設(shè)置 CCP1,0%的脈寬輸出 TRISC=0X00;/PORTC are outputs PR2=0Xff;/設(shè)置 PWM 的工作周期,16Mhz,PWM 周期 15.562khz CCP1M3=1;CCP1M2=

51、1;/CCP1 模塊 PWM 模式 CCP2M3=1;CCP2M2=1;/CCP2 模塊 PWM 模式 sin_up=1;/正負(fù)半周 SIN 函數(shù) sin_num=0;/脈寬周期調(diào)整計(jì)數(shù)器 49 / 56sin_am=0;/sin 函數(shù)的幅值 sin_am=0.3000;/sin 函數(shù)的幅值 crut_ie=1;/電流慢保護(hù)允許 /-中斷服務(wù)程序- void interrupt key_ccp_timer() if(TMR2IF&TMR2IE)TMR2IF=0;/定時(shí)器 2 中斷服務(wù)函數(shù) if(sin_num=31)sin_num=0;sin_up=!sin_up; sin_d=sin_sin_num; sin_l=sin_am*sin_d;if(sin_l=255)sin_l=255;/限幅 if(sin_up) CCPR2L=(unsigned char)sin_l;CCPR1L=0;/換向 else CCPR1L=(unsigned char)sin_l;CCPR2L=0;/換向 sin_num+; CLRWDT();/清除看門狗 if(RBIF&RBIE)RBIF=0;if(!RB6)&power_ie)k=1;/端口 b 中斷服務(wù)函數(shù) if(TMR1IF&TMR1IE)TMR1IF=0;tm_sum+