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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于单片机控制新型逆变稳压电源的设计与仿真中文摘要本文主要论述了基于单片机控制逆变稳压电源的基本原理、结构和设计过程，并且在搭接实验电路之前，利用仿真工具软件对所设计的电路进行仿真，验证电路的可行性，最后在此基础上完成样机的调试工作。 本文设计的电源是输出220V，额定输出功率是3KW的单相稳定电源，在设计中，我们采用SPWM逆变控制技术，单片机AT89C51控制的SA4828芯片输出SPWM波，经EXB841驱动模块去驱动以IGBT为开关元件的单相电压型逆变电路，从而把三相电源经整流滤波后得到的直流电压逆变成稳定的交流电压。在本文中，我们首先对电源主电路进行分析与设
2、计，然后对SA4828三相SPWM波发生器的使用和编程进行了介绍，还对IGBT驱动模块EXB841进行了介绍，另外，我们还讨论了IGBT管的缓冲电路和系统的保护电路，同时分析了系统的软件设计过程。利用仿真工具软件对所设计的电力电子设备进行仿真，有利于缩短产品的设计时间，有利于提高产品的可靠性，在本文中，我们着重讨论MATLAB语言的电力仿真工具箱SimPower及其在所设计电源的仿真中的应用。【关键词】IGBT，SPWM，逆变，SA4828，SimPower，仿真目录第一章绪论11.1电源技术的发展概况11.2电力系统仿真工具箱SimPower的应用及其意义21.3本课题完成的主要任务3第二章
3、基本原理42.1 IGBT管的基本原理及特性42.1.1 IGBT的工作原理42.1.2 IGBT的特性与参数特点52.1.3 IGBT的保护72.2逆变技术及其原理82.2.1现代逆变技术的分类82.2.2逆变电路的基本工作原理82.2.3电力器件的换流方式92.2.4单相电压型逆变电路102.3 SPWM控制技术及其原理112.3.1 SPWM控制的基本原理112.3.2单极性和双极性SPWM控制方式12第三章系统硬件设计143.1系统总体介绍143.2系统主电路的设计153.2.1输入EMI滤波器的设计153.2.2输入整流滤波电路的设计173.2.3逆变器和输出滤波电路的设计193.2
4、.4 RCD缓冲电路的设计203.3采样电路及A/D转换电路233.4 SPWM波产生芯片SA4828及其应用253.4.1 SA4828工作原理253.4.2 SA4828与单片机的连接273.4.3 SA4828的编程283.5 IGBT驱动电路EXB841313.5.1 IGBT驱动电路的要求313.5.2集成化IGBT专用驱动器EXB841333.5.3使用EXB841应注意的一些事项353.6系统保护电路设计363.7辅助电源电路的设计38第四章系统的软件设计394.1 PI控制原理394.1.1过程控制的基本概念394.1.2模拟PI调节器394.1.3数字PI控制器404.2标准
5、PI算法积分项的改进414.3数字PI参数的选择424.3.1采样周期的选择424.3.2数字PI控制参数的选择434.4中位值滤波技术444.5系统控制程序设计454.6软件抗干扰技术47第五章系统的MATLAB仿真485.1 MATLAB简介485.2动态仿真工具Simulink485.3电力系统仿真工具箱SimPower495.4系统仿真模型的建立505.5仿真结果及其分析55第六章结论58致谢59参考文献60附录一SA4828编程例子62附录二主控制板电路图63第一章 绪论1.1电源技术的发展概况电力电子技术就是利用半导体功率开关器件、电力电子技术和控制技术，对电气设备的电功率进行变换
6、和控制的一门技术。上个世纪80年代以来，由于半导体器件，电子技术等的不断推陈出新，电力电子技术有了突飞猛进的发展，其对工业发展所产生的巨大作用，被各国的专家学者称为人类社会继计算机之后的第二次的电子革命，它在世界各国工业文明的发展中所起的关键作用可能仅次于计算机。电源是电力电子技术的主要应用领域之一，随着新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新的控制技术的出现与应用，逆变电源技术得到越来越广泛的应用。电源技术的发展，大体经历了几个阶段：由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控硅（晶闸管）整流式，直到发展到逆变式(开关式)。采用逆变技术，可使所设计的电源具有许多方面的优越性：1.可灵活地调节输出电
7、压或电流的幅度和频率通过控制回路，我们可以控制逆变电路的工作频率和输出时间的比例，从而使输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。2.可将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电，这样就不会因为交流电网停电或剧烈变化而影响工作。3.可明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料在很多用电设备中，变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量，如果我们将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器绕组匝数与有效面积之积就会明显减小，变压器的体积和重量明显地减小了。4采用逆变技术的电源还具有高效节能的优越性，表现在如下几个方面：1)在许多应用交流电动机的场合，在其负载
8、变化时，传统的方法是调节电动机的通电时间所占比例，这样电动机就会频繁地制动、起动。而电动机的起动、制动消耗的能量往往很大，如使用变频电源来调节电动机做功的量，则可节约很大一部分能量。2)采用逆变技术的电源，其变压器的体积和重量大大减小了，也即减小了铁心横面积和线圈匝数。变压器本身的损耗主要包括原、副边铜耗和铁芯损耗，铁芯横面积和线圈匝数的大幅度减小也就大大降低了铜耗和铁耗。因此，采用逆变技术大大提高变压器的工作频率，使得变压器的损耗变得比工频工作时小得多，从而达到节能的目的。3)传统的、采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在0.5-0.8之间，这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大。在
9、逆变电源中，如果用功率因数校正技术，能使输入电流的谐波成分变得很小，从而使功率因数约为1，节能的效果非常明显。5.动态响应快、控制性能好、电气性能指标好由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性好，表现为：对电网波动的适应能力强、负载效应好、启动冲击电流小、超调量小、恢复时间快、，输出稳定、纹波小。6.电源故障保护快由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号反应快，从而增加了系统的可靠性。另外，现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载要求，一个特定用途的电源，应当具有特定的负载性能要求和外特性，同时还应当具备安全可靠、高效、高功率因数、低噪音的特点，
10、另外，无电磁干扰、无电网污染、省电节能也是我们应当认真考虑的设计要求。电源技术发展到今天，已融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学。1.2电力系统仿真工具箱SimPower的应用及其意义为了大幅度地提高效率，在研制新型电源系统的过程中，往往采用如下程序：首先提出一个新的设想，然后对其进行仿真以验证该设想的可行性，并验证其性能参数，在达到了预期的效果后，再进行硬件实现，这种方法已逐渐成为科研工作的一种主要模式。目前，计算机仿真技术在现代工业产品的设计和开发中发挥了越来越重要的作用，其主要作用有：(
11、1)取代人工解析分析，减轻设计劳动强度和重复性劳动。(2)提高分析速度、分析精度和分析广度。比真实电路实验可扩大研究范围，测得更多的数据，如元器件中的数值和波形，研究系统性能受其变化的影响。(3)设计任务确定后立即做仿真，进行充分可行性论证后再订购贵重、特殊器件，既节省资金又缩短开发过程，提高产品的质量。用PC机仿真系统代替实验可大大减小元器件损坏引起的损失，更重要的是某些无法进行实地实验、艰苦和危险场合（如太空），只有通过仿真，才能进行全面的考察，故障的模拟，实基于单片机控制新型逆变稳压电源的设计与仿真际存在的非线性因素允许到什么程度。(4)减小初投资，一套仿真设备就是规模很大的实验室，可以
12、做许多电路与系统产品的研究。常用的仿真软件有PSPICE程序(Personal Simulation Program WithIntegrated Circuit Emphasis)和MATLAB语言，PSPICE程序是Microsim公司出版的，是电子CAD中的电子模拟软件，其目的是在所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟运行，从而对硬件电路进行可行性论证分析。PSPICE可提供时域仿真，又可提供频域仿真，能对电路的动态工作过程进行细致的仿真分析，可它缺乏控制系统的设计工具和分析手段，难于进行机电控制系统的仿真。MATLAB语言是一种功能强大的控制系统计算机辅助设计和仿真语言，易于实现很多控制系统的仿真，可以避免大量的时间用于编制仿真程序，随着MATLAB软件推出电力系统仿真工具箱SimPower，可同时涉及控制和电路的混合系统的仿真，为电源的运行
