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1、微电网模拟系统-参考论文-by电子狂牛中文简要 本文论述是一种采用STC15F2K60S2单片机为核心的SPWM逆变电源，单片机通过自然数查表法控制内部的3路硬件PWM模块生成SPWM脉冲信号，采用双极性调制方案驱动三相全桥逆变电路，输出经LC低通滤波器滤波，最后在负载上得到稳定的正弦波交流电。其正弦波输出频率由单片机内部程序控制调节。另外本系统外接按键，按键能设定开始与停止。关键词：SPWM，双极性调制，三相逆变，STC单片机 Design of a Single-phase Inverter Power Supply AbstractThis article discusses a use
2、 PIC16F1937 microcontroller core of SPWM inverter, two internal microcontroller hardware PWM module generates SPWM pulse signal modulation scheme bipolar drive three-phase full-bridge inverter circuit controlled by a natural number look-up table, Output by the LC low-pass filter, and finally get a s
3、table sine wave AC to the load. Its sine wave output frequency is adjusted by program control MCU. In addition the system external buttons and LCD screen, power button can be set to start and stop, the LCD screen can display real-time input voltage and output current, output sine wave frequency, so
4、that the security and stability of the system has been greatly improved.Key words: SPWM, bipolar modulation, phase inverter, PIC microcontroller 目录前言51.1 研究目的及要求51.2 相关研究现状及前景51.3内容章节概述6系统分析72.1 逆变器的基本概念与工作原理72.1.1正弦波逆变器的电路构成72.1.2常用的逆变器调压方法：722逆变器的基本类型723 PWM控制技术831总体原理图1132电路原理图12321单片机的选择12322 滤波
5、电路123 25 场效应管的选择1333小结144 程序设计1541 程序选择说明1542 SPWM查表155.1 系统仿真185.2实物照片1952单片机输出波形测试19521测试仪器195.1 示波器20522测试方法20523测试结果2054测试结论216总结226.1 结论总结22附录：23程序代码23 前言1.1 研究目的及要求掌握正弦波逆变器的电路的组成，重点明白其中中各元器件的原理及用处，对正弦波逆变电路在电阻负载、电阻电感负载是的工作情况及其波形作全面分析，并研究工作频率对电路工作波形的影响。采用SPWM控制方式对逆变桥进行调制，最后经电容、电感过滤实现正弦波逆变的目的。1.2
6、 相关研究现状及前景 逆变电源的发展与和电力电子器件的发展息息相关，可以说电力电子器件器件的发展引导着逆变电源的发展。上世纪60年代正是电力电子技术飞速发展的时期，逆变电源就是在这个时期产生的，直到现在，逆变电源已经经过了三代的发展。最初的逆变电源用的是晶闸管作为逆它的开关器件，称为可控硅逆变电源，但是因为早期晶闸管没有自关断的能力，即使增加了换流电路使其拥有了这种能力，但换流电路的复杂结构和极低的效率等原因却使逆变电源下一步的发展进退维谷。从上世纪70年代末开始，许多自关断器件相继被发明出来，例如可关断晶闸管、电力晶体管等，这也促进了逆变电源的发展，于是使用自关断器件作为开关器件的逆变器产生
7、了，这就是第二代逆变电源，使用了自关断器件的逆变器它逆变电源的性能获得了极大的提升，使用了自关断器件的逆变器与初代逆变器相比有了许多优点，首先因为有了自关断功能，所以不再需要换流电路，这样使主电路得到简化以至于降低了成本；其次由于逆变器使用了自关断器件，以至于其性能相比初代得到了极大的提升。这一代的逆变电源通常采用带输出电压有效值反馈的SPWM控制技术来控制。这一代的逆变器拥有简单的结构和容易实现的优点，但也并不意味这他没有缺点，由于它没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，所以还是有不少的缺点的，首先它如果负载是非线性的就没有良好的适应能力，非线性的负载会使输出电压的波形发生畸变；其
8、次因为没有瞬时值的反馈所以它的动态特性也不好；最后因为有控制不到的时间域，同样会使输出的电压波形发生畸变。这些缺点使得第二代逆变电源依然不够完善。 随着近十年来新型电源控制技术的蓬勃发展，针对第二点逆变电源的缺点发明了实时反馈控制技术这也使得第三代逆变电源应运而生，三代逆变电源使用了这种技术又一次使逆变电源的性能提高了，同时还弥补了第二代的缺点，这种技术到目前为止还在不断地被完善，实时反馈控制技术拥有许多种，基于对动态性能和适应性等方面的考虑目前被广泛采用的技术是带电流内环的电压瞬时值反馈控制。 1.3内容章节概述本文主要从系统分析、硬件设计、程序设计和实验测试四个方面阐述“三相SPWM逆变电
9、路的设计”。开始概述逆变器基本概念原理和SPWM控制技术，硬件设计介绍本次设计系的统结构框图，简要说明了单片机的选型、半桥驱动电路等，软件设计主要说明本设计的程序流程图；实验部分通过对设计电路的测试，说明试验结果。系统分析2.1 逆变器的基本概念与工作原理2.1.1正弦波逆变器的电路构成 如图所示，本电路由两部分组成,将交流转化为直流的这个部分属于整流,整流器的作用是把交流电转化为直流电，这个过程可以是不可控的，也可以是可控的，这部分采用不可控的二极管将交流变成直流。整流之后采用用电容进行滤波,滤波器的作用是将波动的直流量过滤成平展稳定的直流量,整个过程无论是从结构上还是性能上都能满足实验要要
10、。最后直流变交流的部分为逆变部分,逆变器的作用是将直流电转化为交流电经过电感滤波后然后供给负载,这里的LC滤波是为了滤除高次谐波，得到到正弦波，而逆变器因为它输出的电压和频率与输入的交流电源无关所以为称为无源逆变器，它是正弦波逆变电路的核心，这里采用采用三相桥式逆变电路,用PWM控制调节输出电压及频率的大小。2.1.2常用的逆变器调压方法：可控整流器调压：通过负载对电压的要求，使用可控的整流器来完成对逆变器输出电压的调节。 直流斩波器调压：在确定逆变器的电源侧有较高功率的情况下，通过不可控整流器可以 在直流环节中通过设置改变直流斩波器来进行对电压的调节。 逆变器自身调压：在采用不可控整流器的前
11、提下逆变器能用自身的电子开关进行斩波控制，这样就可以得到脉冲列，通过改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，就可达对输出的电压进行调节，这种方法被称为脉宽调制（PWM）。22逆变器的基本类型 如果是直流输入端滤波器，那么它可以分为两种，分别是电流型和电压型，其中电流型逆变器它的中间部分采用的是大电感进行滤波，这样的输入电流的特点是具有阻抗大电流平，就仿佛似电流源，而电压型逆变器的中间部分则采用大电容进行滤波，这样的逆变器的输入电压的特点是阻抗小且电压平直，就仿佛电压源。而如果按电子开关的频率进行区别则同样可分为 两种分别是120的导电型逆变器和180的导电型逆变器。23 PWM控制技术PWM控制技术翻译
12、过来就是脉宽调制技术，它是原理是假如有一系列的脉冲想要变成需要的波形，那么就可以通过等效法对脉冲的宽度进行改变来等效着获得需要的波形，波形包含形状和幅值，这种控制的想法来源于于通信技术。随着全控型器件的飞速发展可以十分轻松的把PWM控制技术实现，而且这种PWM控制技术在电力电子类方面的用处非常大且极其普遍，各种电力电子装置通过使用它而在性能方面得到了极大的改变，所以它在电力电子技术的整个历史拥有着举足轻重的地位，而PWM控制技术能在电力电子技术中拥有这种举足轻重的地位主要还是因为它在逆变电路中被完美的应用了，直到目前为止PWM控制技术被普遍采用与各式各样的逆变电路。2.3.1 PWM控制技术的
13、面积等效方法PWM控制技术的理论基础就是面积等效法，而面积等效法的核心思想就是假如把一系列具有相同冲量但是形状不一的窄脉冲施加在一个具有惯性的环节上，那么它们的效果就基本上是一样的，在这里相同的冲量其实就是相同的面积如图2.3.1。2.3.1正弦波正半周的等效PWM波图 在正弦波的负半周上使用等面积法依旧可得到PWM波形，所以在一个完的整周期内正弦波的等效PWM波如图2.3.2所示。wtUd-Ud2.3.2单极性调制等效正弦波的SPWM波图 目前还有一种被采用更多的等效方式，用的也是等面积发如图2.3.3所示。OwtUd-Ud2.3.3双极性调制等效正弦波的SPWM波图2.3.2 基于PWM控
14、制技术的逆变电路 至今为止PWM控制技术已被运用到了大多数的逆变电路之中，这种逆变电路既有电流型又电压型而后者被用到的更多。有两种方法法可以获得PWM波形，它们分别是通过计算获得和通过调制获得，其中前者是根据正弦波的一系列数据进行精确计算得出每个脉冲的宽度和他们之间的间隔，以此来操控开关器件的通断来得到PWM波形；而后者是把调制信号的比作想要输出的波形，通过对信号进行调制来得到想要的PWM波形。 2.3.3 双极性PWM调制技术 按一定方法对电压的输出脉冲列里面的各脉冲宽度进行改变从而使得使电压的输出脉冲列在周期内的时间相对于均值按正弦的规律变化，这就是SPWM，这种技术把等腰三角波电压当做载
15、波信号，而调制信号则用正弦波电压，最后把这两种信号进行比对，以此来确定每个分段的矩形脉冲的宽度。因为三角波和正弦波的区别主要源于它们的极性是不一样的，所以可以把SPWM分为单极性和双极性的，在这次设计中采用的三相桥式逆变电路，这种逆变电路两种调试方式都可以使用，在这里采用了双极性PWM调制技术的方法，它的原理如图2.3.4所示。 2.3.3双极性PWM原理在采用双极性PWM调制技术时候,把信号波用这种方法得到的交流正弦输出波替代同时把载波用三角波替代,将这二者进行对比，各开关的通断在这两种波的交点时刻进行改变，由此可以看出在信号波的一个周期内,无论是载波还是调制来的输出波形都是正负皆有,所以它其输出波形具有Ud两种电平，把信号波和载波分别用ur和uc来表示，当信号波大于载波的时刻,同时施加开通
