【正文】 考慮將 PID 控制與其它復(fù)雜 逆變 控制規(guī)律如自適應(yīng)控制、重復(fù)控制等相結(jié)合， 引 入 PID 控制技術(shù) ，使逆變器性能的得到進(jìn)一步提升。 對(duì)電網(wǎng)供電是否正常提提出了實(shí)時(shí)監(jiān)控方案，并對(duì)電網(wǎng)因故障而造成斷電時(shí)，設(shè)計(jì)出自動(dòng)電源切換電路。減少功率器件的開關(guān)次數(shù)可以降低開關(guān)損耗。因此，這里僅對(duì)典型的頻譜圖做諧波分析。 2）規(guī)則采樣法 規(guī)則采樣法 的輸出效果接近自然采樣法，但計(jì)算量卻比自然采樣法小很多，在工程實(shí)踐中多采用該方法。由于感性負(fù)載電流比電壓滯后，因此在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段為負(fù)。 它的原理是：首先 把期望輸出的波形作為 調(diào)制信號(hào)，其次它的載波就是接受調(diào)制的信號(hào)，最后使調(diào)制載波產(chǎn)生 期望輸出 的 PWM 波形。 從圖可以看出，個(gè)脈沖幅值相等，而寬度按正弦規(guī)律變化 。 沖量指的是窄脈沖的面積。 當(dāng)電網(wǎng)突然斷電時(shí)，首先微機(jī)內(nèi)部供電電路迅速將電源切換到蓄電池供電，保證逆變電源內(nèi)部電路持續(xù)正常工作 。 result=8。i++) //高四位 { AOUT=1。 //低電平有效，開始轉(zhuǎn)換 For(i=0。 圖 31 MAX187 工作時(shí)序圖 MAX187 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)程序用 C51 編制，在 環(huán)境中調(diào)試。MAX187 有兩種工作模式：正常模式和休眠模式，將 SHDN 置為低電平時(shí)進(jìn)入休眠模式，此時(shí)芯片耗能降到 10μA 一下； SHDN 置為高電平或懸空進(jìn)入正常操作模式。 這樣的設(shè)計(jì)方式使逆變電源工作在一個(gè)隔離出來的環(huán)境中，進(jìn)一步減少了 受外界 環(huán)境影響的可能性，同時(shí)也防止逆變電源本身產(chǎn)生的諸如諧波類的干擾饋送到電網(wǎng)中，造成電網(wǎng)污染。本設(shè)計(jì)中， P0 口用于傳輸 128*64 圖形液晶顯示數(shù)據(jù)，上拉 1K 排阻到芯片電源即可。時(shí)鐘信號(hào)接到微機(jī)，通過微機(jī)控制產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，輸出給 MAX187。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 VDD1AIN2SHDN3REF4GND5DOUT6CS7SCLK8 圖 210 MAX187 外形結(jié)構(gòu)圖 各引腳的功能見下表 23： 表 23 MAX187 引腳定義說明 引 腳 名 稱 功 能 1 VDD +5V 電源 2 AIN 模擬量輸入，范圍 0~VREF 3 SHDN 操作模式選擇，低電平為休眠模式，高電平或懸空為正常操作模式。此時(shí)， GATE引腳電壓被上拉至 SENSE 引腳電壓，從而關(guān)斷蓄電池 PMOSFET。 8 GATE 外接 PMOSFET 的驅(qū)動(dòng)端。 表 22 LTC4414 各引腳功能 引 腳 符 號(hào) 功 能 1 STAT 漏極開路輸出狀態(tài)引腳 。斷電檢測電路如圖 28 所示。 為保證 電路或負(fù)載短路、長時(shí)間過載 時(shí) 能可靠的進(jìn)行自我保護(hù)，保護(hù)電路設(shè)計(jì)了雙重保護(hù)， 即設(shè)計(jì)特定的保護(hù)電路，作為一 級(jí)保護(hù)，當(dāng)發(fā)生短路、過載故障時(shí) ，首先啟動(dòng)一級(jí)保護(hù)。負(fù)載供電電源在這兩種電源間的切換 由逆變電源控制 自動(dòng)完成。 電路原理圖如圖 24 所示。 為驅(qū)動(dòng)后級(jí)信號(hào)放大管，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)級(jí) NPN 管集電極1 13 腳 上拉 5K 電阻到 12V 電源。 圖 23 UC3524 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu) UC3524 各引腳功能見表 21。 全橋逆變電路如圖 22 所示： 圖 22 全橋逆變電路 V2 和 V3 組成達(dá)林頓連接，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行功率放大，使其滿足IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功率要求。 RG 的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及 IGBT 的容量有關(guān) ， 一洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 般在幾歐～幾十歐 （ 在具體應(yīng)用中， 應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況予以適當(dāng)調(diào)整 ） 。本設(shè)計(jì)中 UGE=15V。 1） IGBT 的工作特性 IGBT 由柵極正負(fù)電壓來控制。 逆變電路驅(qū)動(dòng)器選擇 UC3524 是一種 高級(jí)穩(wěn)壓 集成 脈寬調(diào)制器 ， 工作環(huán)境溫度 0℃ ~+70℃ ，洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 雙列直插 16 腳封裝，最高振蕩頻率為 300kHz，振幅 ，電壓穩(wěn)定度1%，輸出電壓 5V，線性穩(wěn)定度 10mV，負(fù)載穩(wěn)定度 20mV，占空比 45%，輸入電壓 12~28V，上升時(shí)間 ，下降時(shí)間 。 此外，為保證逆變輸出電壓波動(dòng)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，必須設(shè)有輸出電壓采樣電路，而采樣值最好能直 接反饋給驅(qū)動(dòng)器，及時(shí)的調(diào)整輸出電壓幅值，使其穩(wěn)定在 允許范圍內(nèi)。該部分主要保障逆 變電源正?？煽抗ぷ鳎?dāng)發(fā)生故障時(shí)，逆變電路能及時(shí)進(jìn)行自我保護(hù)。此外，在掉電模式下， RAM 內(nèi)的數(shù)據(jù)被保護(hù)，振蕩器凍結(jié)，控制器停在工作，有效保護(hù)數(shù)據(jù)以免丟失 。在遇到特殊情況需要逆變電源停機(jī)是，還可以通過按鈕控制逆變電源中斷輸出，情況解除后，又可 以使其恢復(fù)正常工作。 逆變電源 的特性分析 逆變電源的功能特性 該逆變電源的主要功能是在市電斷電的情況下，仍能給用電設(shè)備提供電能，使電器設(shè)備 繼續(xù)工作。 圖 14 推挽逆變電路 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 根據(jù)以上各逆變電路的特點(diǎn)和該逆變電源的設(shè)計(jì)要求，選擇目前在單相逆變電路中應(yīng)用較多的全橋逆變電 路作為該逆變電源的逆變電路。 圖 12 半橋逆變電路原理圖 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 半橋逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是簡單，使用器件少。 逆變電源的工作流程 如 上 圖 11 所示。采用了 IGBT 橋式逆變，解決了一般工頻逆變?cè)胍舸?，開關(guān)損耗 高， 效率低的問題， 此外這種逆變方式的電路結(jié)構(gòu)簡單，整個(gè)逆變電源的體積就會(huì)減小。 在輸出短路或過載時(shí)，逆變電源將立刻停止交流輸出， 并將故障反饋到微機(jī)，對(duì)故障信息進(jìn)行處理，保護(hù)電源，發(fā)出 報(bào)警信號(hào)。 隨著各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對(duì)操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接從交流電網(wǎng)提供的交流電來獲取電能 ，而是通過各種形式對(duì)其進(jìn)行變換，從而得到各自所需的電能形式。洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 基于 UC3524 的逆變電源設(shè)計(jì) 摘 要 逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)進(jìn)行電能變幻的裝置 ， 主要應(yīng)用與銀行、通信、醫(yī)院、金融等重要機(jī)構(gòu)。 逆變電源就是為滿足這類行業(yè)的需求而開發(fā)的電氣設(shè)備。 近年來，現(xiàn)代逆變技術(shù)主要朝著高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化以及并機(jī)技術(shù)的趨勢發(fā)展。本設(shè)計(jì)的逆變電源還直接引入微機(jī)控制，無需對(duì)電 源外接微機(jī)控制模塊，提高 了整個(gè)電源工作的可靠性和結(jié)構(gòu)上的整體性。 逆變電源的工作原理 逆變電源有兩種工作狀態(tài)： a、旁路狀態(tài)，即市電正常時(shí)； b、逆變狀態(tài)，即市電 斷電時(shí)。其缺點(diǎn)是輸出交流電壓Um 的幅值為僅為直流電壓 Ud 的 幅值的 一半，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián)，工作是還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡。 逆變 電路的驅(qū)動(dòng) 控制 全橋逆變電路工作原理 如圖 13 所示，設(shè)在 t1 時(shí)刻前 VT1 和 VT4 導(dǎo)通，輸出負(fù)載電壓為 Ud，t1 時(shí)刻 VT3 和 VT4 柵極信號(hào)反向， VT4 截止，而因負(fù)載電感中的電流不能突變， VT3 不能立刻導(dǎo)通 ， D3 導(dǎo)通續(xù)流。其工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換都是以市電的正常與否為依據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)快速切換。 蓄電池電量監(jiān)測。 圖形液晶顯示特性， 128 64 圖形液晶，液晶控制器 ST7920，ST7920 對(duì)控制器送來的信號(hào)進(jìn)行鎖存后，再將信號(hào)送入圖形液晶顯示，提高顯示的穩(wěn)定性可視性。蓄電池電量監(jiān)測 使用了串行 12 位模數(shù)芯片 MAX187。鑒于此，集成驅(qū)動(dòng)器無疑是最優(yōu)選擇。 UC3524 內(nèi) 部 振 蕩 周 期 T=RTCT ，電容 CT 的 取 值 范 圍 是1000pF~， RT 的取值范圍是 ~100kΩ，最高振蕩頻率 300kHz。當(dāng)加上正柵極電壓時(shí)，管子導(dǎo)通；當(dāng)加上負(fù)柵極電壓時(shí)，管子關(guān)斷。負(fù)偏電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過大而 導(dǎo)致 IGBT誤導(dǎo)通， 一般選 UGE=5V為宜。 本設(shè)計(jì)中 RG 選阻值為 15Ω 的電阻。再達(dá)林頓組合前，再加一級(jí)射極輸出放大。 工作特性 該部分為整個(gè)逆變電路的核心，脈沖發(fā)生器 UC3524 根據(jù)設(shè)定的振蕩周期，發(fā)出固定頻率的 PWM 脈沖信號(hào)，控制逆變橋工作，同時(shí)逆變電源輸出反饋信號(hào)經(jīng)反饋電路處理后反饋給 UC3524。 5V 基準(zhǔn)電壓經(jīng)電阻 R3 R42 進(jìn)行1:2 分壓后，作為誤差檢測電壓接入 內(nèi)部 差分放大器同相輸入端。 圖 24 脈沖發(fā)生電路原理圖 逆變輸出采樣電路 工作特性 為了對(duì)逆變輸出的方波電壓進(jìn)行穩(wěn)壓控制，逆變輸出采樣電路對(duì)逆變輸出電壓進(jìn)行取樣，將取樣交流 24V 電壓進(jìn)行整流、濾波處理后，經(jīng)R4 R4 R51 分壓后，送人雙端驅(qū)動(dòng)器 UC3524 的 1 引腳取樣輸入端，如圖 24 所示。 負(fù)載供電自動(dòng)切換電路 完成負(fù)載供電在市電與逆變電源間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在逆變電源輸出端和市電接入端分別接入熔斷器 F F2，作為二級(jí)保護(hù)， 如圖 26 所示。 圖 28 市電斷電監(jiān)測電路 該 部分電路主要是給微機(jī)提供市電運(yùn)行狀態(tài)信息，微機(jī)通過外部中斷對(duì)市電運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行掃描檢測。使用時(shí)需外接上拉電阻，輸出狀態(tài)信號(hào)。當(dāng)未接入輔助電源時(shí)，此端直接由模擬控制器控制，使外接 PMOSFET 導(dǎo)通；當(dāng)無輔助電源時(shí)，GATE 端電壓升到 SENSE 端電壓， PMOSFET 關(guān)斷。 市電對(duì)逆變電源供電。高電平使用內(nèi)部參考電壓，懸空時(shí)禁止內(nèi)部參考。 為減輕微機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器并不實(shí)時(shí)進(jìn) 行工作，并且 電池電量變化時(shí)緩慢的，可以間斷分時(shí)對(duì)蓄電池電量信息進(jìn)行采樣， 這樣設(shè)計(jì)既減輕微機(jī)的工作量，又降低了逆變電源自身功耗，符合了低功耗的設(shè)計(jì)原則。 P P P3 口有內(nèi)置上拉電阻，在驅(qū)動(dòng)能力 足夠的前提下，無需再外接上拉電阻。 （ 3） 采用雙重過載、短路保護(hù) 本設(shè)計(jì)的逆變電源額定輸出功率為 1kW，工作時(shí)輸出功率較大，為保證出現(xiàn)短路或長時(shí)間過載時(shí)，電源能及時(shí)可靠的進(jìn)行自我保護(hù)，為此設(shè)計(jì)了雙重保護(hù)。 MAX187 操作時(shí)序圖如圖 31 所示。程序的設(shè)計(jì)思路洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 是：定義 腳為時(shí)鐘 SCLK， 為數(shù)據(jù) DOUT， 為片選端。i8。 SCLK=1。 result=lbyte。而后， 微機(jī)發(fā)出控制指令，使逆變脈沖發(fā)生器發(fā)出 PWM 信號(hào)，逆變電路開 始工作，產(chǎn)生交流電壓，帶逆變工作穩(wěn)定后， 斷電檢測電路檢測到的電網(wǎng)斷電信號(hào)反饋到微機(jī)，經(jīng)微機(jī)處理后，發(fā)送控制命令控制逆變輸出繼電器，將負(fù)載供電由電網(wǎng)切換到逆變電源， 完成對(duì)負(fù)載繼續(xù)供電。效果基本相同，即環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同 。根據(jù)脈沖等效原理， PWM 波形和正弦半波的面積是等效的。一般載波是采用等腰三角形的，最后需要的 SPWM 波形就是當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波的時(shí)候。在負(fù)載電流為正的區(qū)間，VT1 和 VT4 導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓 uo 等于直流電壓 Ud； VT4 關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流流過 VT1 和 VD4 續(xù)流， uo=0。圖 44 為規(guī)則采樣法原理圖。 圖 45 給出了取不同調(diào)制度 a 時(shí)，單相橋式 PWM 逆變電路在雙極性調(diào)制方式下輸出電壓的頻譜圖。 本文著重研究設(shè)計(jì)了基于 UC3524 的逆變電源，包括逆變主電路設(shè)計(jì)方案、脈沖發(fā)生電路、保護(hù)及反饋技術(shù)?？紤]到電網(wǎng)含有的各種諧波對(duì)逆變電源正常工作可能產(chǎn)生的干擾，在對(duì)電網(wǎng)供電情況進(jìn)行檢測是，都是通過變壓器將逆變電源與電網(wǎng)進(jìn)行電氣隔離。 微機(jī)控制采用目前工程應(yīng)用廣泛的數(shù)字信號(hào)處理器 DSP，將使逆變電源整個(gè)工作性能進(jìn)行大幅提升，而且開發(fā)成本低，有效提高產(chǎn)品市場競爭力。有關(guān)后續(xù)研究工作，可望在以下方面取得進(jìn)展： 本設(shè)計(jì)的逆變電源輸出的是方波交流電，實(shí)際應(yīng)用中，多采用正弦波輸出，鑒于此，本設(shè)計(jì)后期工作將對(duì)逆變控制進(jìn)行改進(jìn)，采用 SPWM技術(shù)，控制逆變輸出正弦波。 研究了 逆變 控制系統(tǒng)中控制變量的采樣延時(shí)，為了盡量減小 A/D轉(zhuǎn)換 對(duì) 逆變 控制逆變系統(tǒng) 工作負(fù)擔(dān)加大的影響 ，進(jìn)行了輸出電 壓 A/D 采樣方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在輸出電壓反饋信號(hào) 周期 采樣 ， 轉(zhuǎn)換完成后 將 采樣結(jié)果 返回到控制系統(tǒng) ，大大 削減了微機(jī)的工作量 。其中，提高直流電壓利用率可以提高逆變電源的輸出能力。 由于諧波分析過程 很負(fù)責(zé)繁瑣，而結(jié)論卻簡單直觀。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是所得到 的 SPWM 波最接近正弦波， 但該方法要求解復(fù)雜的超越方程，微機(jī)在進(jìn)行計(jì)算式需花費(fèi)大量時(shí)間，難以完成實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算?？刂七^程如下： 在輸出電壓 uo 的正半周， 使 VT1 保持通態(tài) ， VT2 保持?jǐn)鄳B(tài)， VT3 和 VT4 交替導(dǎo)通。 硬件調(diào)制法 此方法 是針對(duì)面積等效法計(jì)算過程繁瑣的缺陷而提出的。把上述脈沖序列用寬度不等而幅值相等的另一組數(shù)量相同的脈沖序列代替 ，使矩形脈沖的中點(diǎn)與相應(yīng)正弦波部分中點(diǎn)重合，且矩形脈沖和相應(yīng)的正弦脈沖部分面積（沖量）相等 ，便得到 42b 所示的脈沖波，這就是 PWM 波形。 PWM 控制的基本原理 在采樣控制理論中有這樣一個(gè)結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄 脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。