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1、0)12年福建看、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：李宏华张荣辉组 别：S018目录摘要 21. 方案论证 21.1. 方案一 21.2. 方案二 21.3. 最终方案 32. 硬件设计 32.1. DC-DC 升压模块 42.2. MOS 逆变模块 42.3. MOS 驱动模块 52.4. 系统检测模块 62.5. 系统保护模块 72.6. 系统控制模块 82.7. 显示模块 82.8. 系统温度检测模块 93. 软件设计 103.1.系统软件流程图 103.2. SPWM 产生原理 114. 结语 12【摘要】本次单相正弦波逆变电源是一种
2、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 SPWM1.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
3、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DC-DC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
4、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2.硬件设计2.1. D
5、C-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：nTnHTX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Vin的交流电压。且可以通过改变 spwm的占空比来实现输出电压。匕t的改变。电路如下图所示：2.3. MOS 驱动模块本
6、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：低频臂高频臂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：GNDGNDVfbUo+R?L_KRes2100R?Res220KR?Res230K电压检测GND电压检测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：Itest-=-1KGNDGNDRPot100C20O.luFC18O.luF电流
7、检测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：T1RIP+ VCC IP+ VIOUT IP- FILTER IP-GNDACS71234GNDTChP38crap70-65 ,3uFytest1234丄 Cap InfGNDHeader 4GND1234输出电流检测Header 42.5. 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：P13L+12+5该部分设立了四个继电器，
8、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。Header 2 VCCGND2.8.P2Header 8GNDVCC10KVCC系统温度检测模块)tlc12864 st7920iiNGND IVCCLCdVCCGND4.7uFVCCVCC1234567890123P3Header 13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。VCCU3VDDI/OGND3十10K
9、GNDC153. 软件设计3.1. 软件系统流程图开始系统时钟设置延时初始化 初始化LED 串口初始化初始化AD初始化LCD初始化编码开关初始化温度传感器V初始化SPWM1 V扫描编码开关按键 切屏与调值转换1编码开关转向判断 增减相应值1先做相应计算再 LCD屏幕显示JJ1结束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
10、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。
11、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
12、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。
