1、I摘 要随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，用电设备对电源的要求越来越高。许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行变换，从而得到各自所需要的电能形式。目前，电源正朝着高效率，高稳定度，高功率密度，低污染，模块化发展。为了满足输出电压和频率可变的逆变电源的基本指标，调制方式上各种新颖的调制技术不断涌现，控制上各种适合于不同要求的逆变器的控制方案被提了出来。本设计是基于 SPWM 逆变技术，将由单片机产生的 SPWM 波输出作为 IGBT 的驱动信号，最后通过低通滤波,从而在输出端得到一个无失真的正弦信号波形。为了便于
2、观察输出端的电压值，用数码管监测输出电压值。此设计电路可以产生频率稳定度、精度高的正弦波。关键词：变频电源；IGBT；SPWM 调制；单片机IIABSTRACTAs development and all trades and professions at full speed of electric and electronic technology control the improvement that performance required to the electric equipment, power consuming apparatus have more and more
3、high expectations for power one. Power consuming apparatus of a lot of trades is not all the alternating current using the electric wire netting to offer directly, as the power, but vary the alternating current of electric wire netting through various forms, thus get the electric energy form needed
4、each. At present, power towards high efficiency, high steady degree, high power density, low to pollute, module development. Output voltage and frequency variable going against the basic index which change power in order to meet, modulate way of different novelty modulation technology emerge constan
5、tly, control, have various suitable for different control scheme to go against person who become that require mention, come out. Design, based on SPWM go against technology of turning into, output drive signal in IGBT by SPWM wave that one-chip computer produce originally, strain the wave through be
6、ing low and open finally, thus get one in the output end does not have distorted sine signal wave form. In order to observe the voltage value of the output end, in charge of the number to monitor and outputting voltage value. This is designed circuit can be produced the steady degree of frequency, p
7、recision is high and sinusoidal wave.Key Words：Frequency conversion power source；IGBT；SPWM Modulation；Monolithic integrated circuitIII11 引言众所周知，我们所使用的市电频率是 50Hz，但是，在实际生活中，有时需要的电源频率不是 50Hz。电气化铁路是我国铁路发展的方向，25Hz 电源是电气化铁路区段信号系统的关键设备。在航空航天领域大量使用的电源是 400Hz 的电源。由此可以看出在很多场合，需要电源的频率并不是市电所提供的 50Hz。结果造就变频电源的产生
8、。在现实生活中变频电源广泛应用于航空、机械、轻工等行业。1969 年世界上诞生第一台逆变电源，由于其具有调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电子和电气领域得到了迅速的推广应用。逆变器从1969年发展到今天，经历了几十年的发展过程。其控制方法也出现了许多，大致可以分为：变压和变频控制方法。目前采用较多的是变压中的脉宽调制技术即PWM控制技术，即利用控制输出电压的脉冲宽度，将直流电压调制成等幅宽度可变的交流输出电压脉冲，来控制输出电压的有效值、控制输出电压谐波的分布和抑制谐波。PWM技术可以迅速地控制输出电压，及其有效地进行谐波抑制，它的动态响应好，在输出电压质量、效率等诸方面有着明显的优
9、点。根据形成PWM波原理的不同，可以分为以下几种：矩形波PWM、正弦波SPWM、空间相量PWM(SVM)、特定谐波消除PWM、电流滞环PWM等。这四类PWM波各有优缺点，因而适用于不同的场合。SPWM的全称是Sine Pulse Width Modulation，意思是正弦脉冲宽度调制 1，简称为SPWM,是调制波为正弦波、载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制法，它是1964年由A.Schonung和H.Stemmler把通讯系统的调制技术应用到逆变器而产生的。后来由Bristol大学的S.R. Bo wer等于1975年对该技术正式进行了推广应用。这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节
10、性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。传统的电源采用都是模拟控制系统，模拟控制经过多年的发展，己经非常成熟。然而，模拟控制有着固有的缺点：控制电路的元器件比较多，电路复杂，所占体积大，制造成本比较高；灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变；最主要的是逆变电源不便于调试，大量的模拟元器件使其之间的连接相当复杂，从而使系统的故障检测与维修比较困难。模拟器件的老化问题和不可补偿的温漂问题，以及易受环境(如电磁噪声，上作环境温度等)干扰等因素都会影响控制系统的长期稳定性。近年来高速MCU技术的成熟和普遍，
11、与其采用哈佛结构、流水线操作，即程2序、数据存储器彼此相互独立，在每一时钟周期中能完成取指、译码、读数据以及执行指令等多个操作从而大大减少指令执行周期。高速数字MCU的发展，正弦波逆变器的控制技术方案也由传统的模拟控制向现代数字化控制的方向发展。采用数字化控制，不仅可以大大降低控制电路的复杂程度，提高电源设计和制造的灵活性，而且可以采用更先进的控制方法，从而提高逆变电源系统输出波形的质量和可靠性。基于MCU的发展上逆变电源技术正朝者以下几种趋势发展：1 高频化 理论分析和实践经验表明：电器产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20khz
12、，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5-10%，其主要材料可以节约90%甚至更高，还可以节电30%甚至更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，原材料消耗显著降低、电源装置小型化、系统的动态反应加快，更可以深刻体现技术含量的价值。2 数字化 现在数字式信号，数字电路越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点，便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高系统抗干扰能力、便于软件包调试、也便于自诊断，容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。3 绿色化 随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色
13、电源的呼声越来越高。绿色电源的含义有两层：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能对电网产生污染。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。提高输入功率因数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环保和节能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。提高功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较先进的方法是：单相输入的采用有源功率因数校正技术。本设计主要是采用等效面积算法来计算逆变产生 SPWM 波形 2，保持输出波形不失真。
14、同时，通过 89S52 单片机控制 ADC0809 采集输出的电压值并在数码管上作相对应的显示。设计的主要要求是方案成本低，体积小，无需调外部元件，接口简单。SPWM 的产生是通过单片机 ATMEGA8 根据算法产生。再经隔离驱动放大，最后滤波输出，得到所需要的正弦波形。ATMEGA8 单片机是 ATMEL 公司推出的高速最小型高速单片机，它是一个 28 脚的小型单片机，在内部已经集成晶体振荡器，无须外接晶振就可以以最高速度 8MHz 的时钟执行程序。是目前速度较高的最小型单片机，它为高速率低成本的数字变频电源提出了解决方案。本课题的实用性非常强，在许多的领域中都用到，如：用于交流电机调速系统
15、、舰船、航空航天、邮电通讯、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备等。32 方案论证与比较2.1 SPWM 方案论证与选择方案 1：采用比较器对正弦波和三角波进行比较 3得到 PWM 波，基本框图如图 1所示，将比较后得到 PWM 送入驱动电路放大后再驱动 IGBT。图 1 正弦波与三角波比较电路框图该方法实现比较困难，并且受运放参数影响较大，调试困难，稳定性较差而且，不易灵活控制。方案 2：采用间接生成法即使用专用的 PWM 芯片与单片机进行通讯，基本框图如图 2 所示。图 2 单片机控制 PWM 芯片框图用单片机去指令控制 PWM 的移相或倒相。该方法优点是单片机的工作量并不大运算速度要求
16、不高，可以用一般的单片机实现。缺点是专用 PWM 芯片难以控制，增加了系统的复杂程度成本较高，不易于在实际中应用。方案 3：运用单片机通过等效面积算法来计算逆变产生 SPWM 波形，此种方法实现简单，易于控制和改变，并且具有较强的抗干扰能力。由于单片机输出的是数字信号，使其具有数字化的特点。综上所述，方案 3 具有更优良的性能和更简单的电路构成，所以使用方案 3 作正弦波输入三角波输入PWM 输出输出滤波比较电路电源电路PWM 输出输出滤波PWM 芯片电源电路单片机4为本次设计的方案。2.2 驱动电路的设计方案论证与选择方案 1：使用专用驱动芯片如 M57962，EXB840，IR2110 4
17、等，如图 3 所示。驱动芯片配合少数的外围元件完成，该方法优点是系统的集成度高，有良好的过载和短路保护功能。缺点是此类芯片几乎都存在一个共同的特点，本身不能产生负电压，抗干扰能力差，并且有一定的延迟时间，芯片反应速度较慢，不适合在高频电源中使用并且其一般价格较高。图 3 控制驱动芯片框图方案 2：采用分立元件搭建驱动电路。电路中选用高速开关三极管 8050 和8550，其反应速度可以达到微秒级，能很好的抑制在传输中出现的新的频率成分, 并且避免了信号在传输过程中的累加延迟，有利于减少输出波形的失真度。开关三极管具有开关速度快,输出电流大，单电源供电等优点完全可以应用于高频段，满足系统的要求。在
18、需要更大电流驱动的场合，三极管还可以接成推挽输出模式以提高输出电流，分立元件的驱动电路具有良好的性价比。综上所述，选择方案 2 即采用分立元件搭建驱动电路。PWM 输出输出滤波驱动芯片电源电路53 系统组成本变频器电源系统的结构原理如图4所示。单相交流电源经过EMI线滤波器后，再经单相桥式整流和大容滤波后可在直流母线上获得稳定的直流电压。该直流电压在电压可调电路的控制下，经过桥式逆变电路逆变后，可输出由驱动电路送来的SPWM信号，在经过一级小容量的LC滤波网络后，即可在输出端获得较为理想的正弦波输出电压信号。以单片机为主的控制系统主要用来产生逆变电路开关器件的驱动信号，另一单片机通过对直流母线
19、电压的采样，实时的监测并显示直流母线电压值，使整个系统方便用户的操作。图4 变频器结构原理图电压显示 电源电路2EMI 滤波 整流滤波 电压可调电压采集显示驱动 单片机 驱动电路桥式逆变输出滤波单片机产生 SPWM生chacheng生电源电路1输出AC64 单元电路的设计4.1 光电隔离电路设计光电隔离也叫光电藕荷器，就是把电的信号转换成光的信号，然后再把光的强弱转换成相对应的电压信号，从而实现高压和低压的电气隔离。一般是由发光二极管和光敏三极管构成，光敏三极管是特殊的三极管，把基极电流大小做成受发光二极管光强弱控制。因此，光电隔离事实是一种电信号光强弱电信号变换器。常见的光电藕荷器内部电路如
20、图 4-1 所示：U10图 4-1 常用光电耦合器内部电路光电藕荷器一般应用在信号不匹配，输入的信号可能是交流信号、高压信号、按键等干接点信号，比较长的连接线路容易引进干扰、雷击、感应电等，不经过隔离不可靠或容易对人体造成伤害。一般情况下光电藕荷器输入端是靠一定的电流来触发光耦管，从而产生一个输入信号，电流一般为 4mA- 22mA。TTL 输入则是靠高、低电平来产生一个输入信号。其中，0.7V 代表低电平，2.5V - VCC 代表高电平。光耦输出端可以是 5v - 24v 的电压，驱动电流为 4mA- 22mA。TTL 输入端则只能是高低电平，且不能超过额定的 VCC（一般为 5V)。本设
21、计所用的光电耦合器是 6N135，它是一个 8 引线双列直插的器件，内部电路图如图 4-2 所示。电路由芯片内部 D1、D2 和 Q1 组成：23 56876N135图 4-2 6N135 内部电路图 4-3 为光电隔离电路图。电路的核心部分是高速光电耦合器 6N135，根据6N135 的数据手册可知，6N135 的最高频率为 1MHz,二极管端的输入电流为 16mA 压7降是 1.6V，而 ATMEGA8L 的输出电压是 5V，因此需要在输入端串接一个输入电阻，其大小按照下列公式计算：（4-1）IdVinR式中 Vin 为单片机的输出高电平是的电压 5V，Vd 是二极管的压降，Id 是二极管
22、端的输入电流。 +18VR3200R41KR53K235687 6N135图 4-3 光电隔离电路图由于后级的输入驱动电压一般不能低于 12V，否则会造成后极无法正常工作，因此在光耦的三极管输出端为其加 18V 的电源电压，以保证后级正常工作所需电压。4.2 驱动电路设计图 4-4 是驱动电路图。R63KQ38050Q28550+18V图 4-4 IGBT 驱动电路电路由 Q2、Q3 和 R6 组成。由光电隔离电路送来的 SPWM 波形送入 Q2 和 Q3 的基极。当信号为高电平的时候 Q3 导通，那么 Q3 的 C 极和 E 极相当于是短接的，也就是输出为高电平。当 SPWM 输出为低电平是 Q3 截止，Q2 导通后极的结电容通过 R6和 Q2 放电，这样就可以加快了输出电路的反应速度。
