1、题号： A 武汉理工大学第四届电工电子创新设计大赛设计报告题目：逆变电源参赛者：唐军学院班级：信息工程 电子 0802联系方式：15971467840评分标准：项目 满分 得分基本要求总分目 录摘要 .I1方案论证 .11.1 方案论证 .12 理论分析 .12.1 全桥逆变原理 .12.2 SPWM 产生原理 .12.3 输出 LC 滤波电路 .23 系统设计 .23.1 系统硬件设计 .23.1.1 系统整体框图 .23.1.2 全桥逆变电路 .33.1.3 驱动电路设计 .33.1.4 滤波电路设计 .43.1.5 过压保护电路 .43.1.6 控制系统电路设计 .53.2 系统软件设计
2、 .53.2.1 软件流程 .54 仿真结果与分析 .64.1 SPWM 仿真结果 .64.1 MOS 管驱动电路仿真结果 .74.1 全桥逆变电路仿真结果 .74.1 滤波电路仿真结果 .84.1 过压保护仿真结果 .84 总结 .8参考文献 .9I摘要摘要：本文设计了高性能的直流到交流的数字式正弦逆变电路。本系统以 MSP430F2491单片机作为核心控制器，以查表法软件实现 SPWM 波，从而控制全桥逆变电路，实现从DC 到 220AC 的逆变电路。使用变压器对输出电压进行放大，并且通过 MSP430 内部的AD 实现对输出电压的采集，控制逆变桥的输出幅值，实现闭环控制。设计了输出保护电
3、路，使得系统能够更好的稳定工作。关键词：单片机；SPWM；逆变桥11方案论证1.1 方案论证方案一：通过正弦波和三角波进行比较实现正弦波的调制，得到 SPWM 控制逆变桥的通断，实现直流到正弦交流的变换。本方案要实现 SPWM 波，要先得到正弦波和三角波，不管是使用 DDS 还是模拟电路实现，都会使得整个系统变得复杂。方案二：采用专用的 SPWM 芯片，专用的 SPWM 芯片能够方便的产生所需要的SPWM 波形，并且波形稳定，操作方便，但是由于专用的 SPWM 芯片较难买到，并且较贵，所以舍弃此方案。方案三：采用单片机软件实现 SPWM 波，该方案充分利用 MSP430 内部资源，使用定时器实
4、现 PWM 波，再通过软件计算控制 PWM 的占空比，从而实现 SPWM 波。本方案简单易于实现，也能够方便的控制产生各种频率和脉宽的波形。1.2 方案选择通过论证，基于简便易行，成本低廉以及实现效果综合考虑，本系统采用方案三，基于 MSP430 的 16 位单片机软件实现 SPWM 波，控制全桥逆变，在使用单片机的内部AD 采集输出电压实现闭环控制，达到稳定输出的 DC 到 AC 的变换。由于 16 位单片机用于大量的计算略显吃力，本系统先离线计算好所需要的占空比，再查表法实现 SPWM 的控制。2 理论分析2.1 全桥逆变原理要交直流电源转换为交流电源，可以通过开关原理，通过控制开关的通断
5、得到相应的方波，由傅立叶级数可知，方波可以展开为正弦波的和，从而得到相应的频率的谐波分量。(2.1) tttUo 5sin13siin4以一定的滤波手段，即可得到所需频率的正弦波。通过适时，适式的控制逆变桥，即是的通断按照正弦规律变化，这样可以最大量的增加基波分量，可以提高电源的效率与幅值。2.2 SPWM 产生原理逆变器的输出电压是正弦波(2.2)tUtusin)(逆变电路实际上只能输出方波，基于 SPWM 波调制的逆变技术，根据冲量等效原理大小、波形不同的窄脉冲变量作用域惯性系统时，只要变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。所以通过控制逆变桥四个开关管进行实时，适式的通断，得到多个脉波
6、电压的交流电SPWM 波，即可得到正弦波形的效果。SPWM 波的脉宽要满足式：2(2.3)tdUtdtmDsin1由上式可以得到 SPWM 波的脉宽计算公式：(2.4)tDmsi(2.5)cos1coPmU由题中要求可以设定相应的参数从而得到脉宽的 。2.3 输出 LC 滤波电路逆变器的输出负载采用 RLC 串联电路，由 RLC 串联电路谐振频率(2.6)LCf210品质因数计算式(2.7)RQ0由于全桥逆变电路的输出为 50 Hz 的基波以及其他高低次谐波，为了得到纯正的正弦波形，必须考虑设置滤波环节。因为谐波主要集中在 1 倍和 2 倍 fSPWM 附近，所以设置截止频率 fC 为 fSP
7、WM/5。由 RLC 串联谐振频率计算公式即可得到相应的电感电容的值。3 系统设计3.1 系统硬件设计3.1.1 系统整体框图3（图 3.1 系统框图）系统整体框图如图所示。通过微控制器采集输出电压，并且反馈控制 MOS 管驱动从而控制逆变桥的通断调节输出电压，后级通过变压器升压以及低通滤波电路使得系统输出稳定的正弦交流电。3.1.2 全桥逆变电路逆变电路是逆变电源的核心组成部分，完成将直流电压转变为交流电压的过程。系统需要正负电压，因此需要全桥逆变。采用由 4 个 MOS 功率管组成全桥逆变电路，分别使用两个 P 管两个 N 管，将其栅极控制端短接用一路 PWM 控制，使得每个半桥不会同时导
8、通而不必考虑死区设计。电路如图所示。（图 3.2 全桥逆变）逆变桥 MOS 管的选型要注意 MOS 管承受的电压，以及电流。电流的大小决定了系统的输出功率。逆变桥的功率管由于要快速开关对开关频率有一定的要求。P 管选择IRF9540，最大电流为 23A，功率完全能够达到要求。IRF9540 的开关频率在百纳秒以内。系统的需要的开关频率由 SPWM 的频率所决定，频率在几十 K 以内，该功率管的频率也能满足要求。3.1.3 驱动电路设计4由于全桥逆变采用了 P 型和 N 型的对管思路，MOS 管的驱动电路也就简单了许多，不在需要浮动的驱动电压，只要普通的方波就能驱动。由于单片机出来的 SPWM
9、波幅值比较小，需要对其进行放大处理。系统中采用比较电路的思想实现 SPWM 波的电压放大处理。使用两个电压比较器，将比较器的正向和负向端分别接不通的信号，实现两路互补的 SPWM 波，用于分布控制两个半桥的通断。（图 3.3 MOS 管驱动）系统选用 HA17393 电压比较器，该比较器最大输出电压为 34V 完全能够驱动 MOS 管，并且比较速度也在百纳秒级满足电路要求。HA17393 是集电极开路输出，所以输出要加上上拉电阻。3.1.4 滤波电路设计逆变桥输出波形并不是正弦波，还要经过一定的滤波电路，才能得到纯真的滤波电路。电路设计了 RLC 串联电路实现滤波，由理论分析可以得到 LC 的
10、取值，电路如图所示：在滤波电路前端，加了隔离变压器可以降低对电容的耐压要求，同时设置好匝数比实现电压的放大，使得 12V 的交流电压变化为 220V 的交流电压（图 3.4 滤波电路）3.1.5 过压保护电路在电路中设计了过压保护电路，使用 TI（德州仪器）公司的 TL431 作为过压控制器件。TL431 是三端可调分流基准源它的输出电压用两个电阻分压进行设置。当阳极端电压5高于 Uref 时阳极与阴极导通。在电路中，当电压正常时，TL431 的阳极电压大于参考电压，TL431 导通，继电器吸合电压正常输出。当输出电压大于设定的值，TL431 的阳极电压小于参考电压 TL431 切断，继电器断
11、开，输出断开达到输出保护的目（图 3.5 过压保护）3.1.6 控制系统电路设计在系统中使用 MSP430F2491 单片机作为整个系统的控制， MSP430F2491 是德州仪器生产的超低功耗单片机，具有丰富的片内外设可以很好的完成本系统的控制。其中通过控制 MSP430 定时器实现 SPWM 波产生，并且通过内部 AD 对输出电压的采集，实现闭环控制输出电压3.2 系统软件设计系统软件设计采用模块化设计，主要包括：硬件初始化模块，正弦表初始化模块，输出采集，闭环调节模块，中断处理模块。3.2.1 软件流程软件设计经过各个部分的初始化后，通过内部 AD 对输出电压进行采集控制 SPWM的占空
12、比最大值，再查 SPWM 表控制定时器得到 SPWM 波形，同时实现闭环控制输出的电压值。6（图 3.6 软件流程图）4 仿真结果与分析4.1 SPWM 仿真结果SPWM 的仿真使用 Protues 单片机仿真软件实现仿真，使用 IAR 编译环境编写MSP430 单片机的程序生成相应的 hex 文件加载到 Protues 中的单片机中通过软件中的虚拟仪器示波器可以观察输出 SPWM 的波形，以及相应的频率和幅值。由波形可以看出 SPWM 波的产生正确，通过读取示波器的频率值也可以得到相应的 SPWM 的频率为50HZ，实现了 SPWM 波的软件产生。（图 4.1 SPWM 波仿真结果）74.1
13、 MOS 管驱动电路仿真结果MOS 管驱动采用比较器使得输出驱动电压达 11V，使用 Multisim 软件实现仿真。仿真结果如图所示，可以看出输出波形为 11V 的幅值 50HZ(180 度相位差的时间为 10ms)的频率，将 SPWM 波放大到了 11V，实现了 MOS 管的驱动电路设计。（图 4.2 比较器仿真结果）4.1 全桥逆变电路仿真结果全桥逆变电路仿真输出波形如图所示，输出峰峰值 11V，由于 MOS 管有一定的导通压降所以输出电压比电压电压要低一些，输出频率为 50HZ。实现电路要求，由电路仿真结果可以看出，输出的波形是基本具有正弦波的形状，经过放大和滤波就能得到所需要的波形。（图 4.3 逆变仿真）
