【正文】 ....................................................................................... 25 6 總結(jié) ......................................................................................................... 27 致 謝 ......................................................................................................... 28 參考文獻 ..................................................................................................... 29 附 錄 ......................................................................................................... 31 基于 PWM 的正弦波電源的設(shè)計與實現(xiàn) I 基于 PWM 的正弦波電源的設(shè)計與實現(xiàn) 摘 要 伴隨著電力 電子技術(shù)的發(fā)展以及變頻電源的應(yīng)用越來越廣泛， 對作為變頻電源中重要的部分 — 逆變器也提出了更高的要求 。 逆變器主要包括逆變主電路、控制電路、濾波電路及其他輔助電路 。 隨后進行了逆變系統(tǒng)的硬件設(shè)計，主要包括逆變主電路、 死區(qū)時間控制電路、 DCDC 升壓模塊 等，并確定了電路中各元器件的型號。 關(guān)鍵詞 逆變器 /數(shù)字控制 /脈沖寬度調(diào)制基于 PWM 的正弦波電源的設(shè)計與實現(xiàn) II Design and Realization of sine wave power supply based on PWM ABSTRACT With the development of science and technology, variable frequency power supply applied more widely in our life, but also put forward higher requirements on as an important part of the inverter frequency conversion power. The traditional inverter to control the system, simulation of control or modulus control bined with a plex structure, the integrated degree is low, and the price is high, so the digital inverter has bee a trend. Inverter includes the main circuit, the inverter control circuit, filter circuit and other auxiliary circuit. This design introduces the traditional inverter power control and digital control mode, and then introduces the basic structure of inverter, SPWM control principle of inverter power supply, the generation process of SPWM. Then the hardware design of inverter system, includes the main circuit, control circuit of inverter dead time, DCDC converter module, and to identify the ponents in the circuit model. The simulation and debugging of the system in the Proteus system in the simulation, parameters meet the design requirements, after the pletion of production in kind, to plete the material, the test results do not meet the requirements. KEY WORDS Inverter,Digital control,PWM基于 PWM 的正弦波電源的設(shè)計與實現(xiàn) 1 1 緒論 電力電子器件產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 40 年代末 ， 隨著幾十年的發(fā)展 ， 電力電子器件 在大功率化、高頻化、集成化 得到了長足的進步， 在此期間逆變器技術(shù)也飛速發(fā)展起來。 它在我們的生活與工作中 應(yīng)用十分廣泛，主要適用于家用電器、電子應(yīng)用、實驗室等方面，并可用來檢測 各種 用電電器 。 采用 模擬控制 方式 或模數(shù)相結(jié)合的控制 方式的逆變電源的 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成化程度低，并且價格 昂貴 。 PWM 的全稱是 Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制）， 該種控制 方式 的基本原理就是通過改變逆變主電路中的開關(guān)器件的通斷時間來得到一系列寬度不等、幅值相同的脈沖，而后用此脈沖替代設(shè)計中所需的波形。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種 脈沖寬度調(diào)制 技術(shù)，其中包括：相電壓控制 PWM、脈寬 PWM 法、隨機 PWM、 SPWM 法、線電壓控制 PWM 等 。 設(shè)計指標(biāo)及實現(xiàn) 技術(shù)指標(biāo)為 :當(dāng)輸入電壓為 24V177。5%V， 400Hz 的指標(biāo)，且輸出電流為 200mA。根據(jù)仿真模型 確定 各個元器件，最終做出電源的實物。 逆變電源出現(xiàn)之初 逆變電路中采用 了 Thyristor（晶閘管） 開關(guān)器件，因 為 電路中采用晶閘管 器件 ， 該種逆變電源 也 稱為可控硅逆變電源。 此種電源的出現(xiàn)使逆變 技術(shù) 向前發(fā)展了一大步，同時也 帶來 一些問題：在逆變電源中增加了換流裝置 ， 增加了 其復(fù)雜性 ，并且有 噪聲大、體積大等 缺點 。此種電源的優(yōu)點如下：由于采用了自關(guān)斷器件 ，因此電路中不需要換流裝置，這就減小了電源的體積，并降低了成本， 使得逆 變電源的開關(guān)頻率、動態(tài)壓降均減小。 第三代的逆變電源是應(yīng)對前兩種電源中出現(xiàn)的缺點而提出的。 該種逆變電源 的出現(xiàn) 大大提高了 系統(tǒng) 對非線性負載的適應(yīng)性以及 其 動態(tài)特性。本文的內(nèi)容分為以下幾個章節(jié)： （ 1）介紹 本 課題 的來源 、 目的及其意義，并介紹 逆變電源的國內(nèi)外研究概況及其研究方向。 （ 3） 介紹逆變系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，具體分析 SPWM 單相全橋逆變電路的工作原理及單極性、雙極性 SPWM 控制方式，給出了 SPWM 控制脈沖的實現(xiàn)方法， 即利用單片機芯片生成 SPWM 波 。 （ 5） 逆變 電源的 制作 。 基于 PWM 的正弦波電源的設(shè)計與實現(xiàn) 4 2 逆變器的主要控制方式 傳統(tǒng)的逆變器控制 方式 有 模擬控制 和 模數(shù)結(jié)合控制 兩種 方式，但是在這 兩種控制方式下的逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。 逆變器的模擬控制方式 電壓型控制方式 電壓型控制方式作為 傳統(tǒng) 模擬控制方式中 最常使用的控制方式。 圖中的誤差信號 Ue是通過基準(zhǔn)信號 Ur和采樣信號 Uof 相 比較再通過相應(yīng)的處理器 而得到的，再 將此信號與載波 Uc 相比較 ，經(jīng)適當(dāng)?shù)倪壿嬜儞Q和驅(qū)動電路后控制逆變器，如圖 21(a)所示。 D C A C 逆 變 器隔 離 驅(qū) 動電 路邏 輯 變 換電 路C iR LR 1R 2++C iC iLU i U A BU o（ a） 單閉環(huán)控制框圖 1112 ?ff CLs 21 / NN1k )(1 sG uo fkU o f??u eu iU ou（ b）單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 圖 21 電壓型單閉環(huán)控制方式 基于 PWM 的正弦波電源的設(shè)計與實現(xiàn) 5 單周期控制技術(shù) 在 20 實際 80 年代末出現(xiàn)了一種新型的模擬 脈沖寬度調(diào)制 控制技術(shù)， 該種控制為 OCC 技術(shù)（單周期控制）， 它 是基于 脈沖寬度調(diào)制 的非線性信號控制方式 。 此技術(shù)的優(yōu)點就是輸入信號不受負載信號中的諧波的影響，即 在 有諧波的影響下輸入信號也不會發(fā)生畸變。由于對于非線性負載的適應(yīng)性較強，因此單周期控制技術(shù)控制下系統(tǒng)的抗干擾能力較強。 逆變器的數(shù)字控制 隨著電子技術(shù) 的 快速 發(fā)展， 對逆變電源的技術(shù)提 出了更高的要求，為了應(yīng)對各種不同的要求， 逆變器的控制方式 也 越來越數(shù)字化，這也成為現(xiàn)代逆變技術(shù)發(fā)展的趨勢。 （ 2） 數(shù)字化 控制方式 可以使得系統(tǒng)的控制更為靈活，降低了系統(tǒng)的成本，使得系統(tǒng)的維護更為方便，系統(tǒng)的一致性得到提高。 （ 4） 系統(tǒng)維護方便，在系統(tǒng)運行過程中若出現(xiàn)故障，可以通過檢測系統(tǒng)中各個 模型、芯片的運行來進行調(diào)試、判斷出故障的出處，進行故障維修。 隨著電力電子技術(shù)在生活中應(yīng)用范圍越來越廣， 數(shù)字化控制的逆變電源也越來越受到關(guān)注， 當(dāng)今電源領(lǐng)域的研究熱點就是逆變電源的數(shù)字控制，與數(shù)字化相對應(yīng)，各種各樣的離散控制方法也紛紛涌現(xiàn)，包括模糊控制、重復(fù)控制、 PID 控制、無差拍控制等， 隨著各種各樣的技術(shù)的出現(xiàn)，逆變電源技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，不斷的完善逆變電源的各種 性能。近年來， 隨著對逆變系統(tǒng)的要求越來越高，隨之系統(tǒng)的復(fù)雜性也增強了，模糊控制 在電力電子領(lǐng)域中的應(yīng)用引起了人們的重視。 （ 2） PID 控制 比例 積分 微分控 制 （ PID 控制 ） 概念明晰，使用中不需要精確的系統(tǒng)模型等先決條件， 由于 PID 中的參數(shù)較易整定，因此是應(yīng)用最為廣泛的控制器， PID 控制廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)的靜、動態(tài)控制中。盡管 PID 控制可以快速的響應(yīng)反饋信號，但是無法實現(xiàn)精確的跟 蹤正弦波信號，同時系統(tǒng)中的非線性負載對 PID 的影響也較大，因此使用 PID 控制時系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，基本上無法滿足系統(tǒng)的要求。 基于 PWM 的正弦波電源的設(shè)計與實現(xiàn) 7 3 逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及其控制策略 為了提高逆變系統(tǒng)的性能，必須對逆變系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)有詳細的了解。本章詳細地介紹逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 控制方式并確定本設(shè)計中的控制方式。同時逆變主電路還要受到控制電路的控制， 通過控制電路的控制逆變主電路中的開關(guān)器件的通斷時間的控制，最后得到一個與期望相符的輸出波形。 下面對各個部分做一些簡單介紹 : （ 1） 逆變主電路 作為逆變系統(tǒng)中最重要的部分，逆變主電路主要實現(xiàn) 了直流電向交流電的逆變。逆變主電路控制了輸出信號的幅值大小。 （ 3） 濾波電路 濾波電路分為輸入濾波電路和輸出濾波電路。 （ 4） 采樣調(diào) 理電路 采樣調(diào)理電路的主要作用就是將輸出電壓采樣并就將采樣的信號與基準(zhǔn)信號比較后，然后將比較后的信號通過處理器后再作為輸入送人逆變主電路中，直到輸出信號與基波信號一致時，采樣調(diào)理電路就不再工作。過欠壓保護電路的主要作用就是在系統(tǒng)出現(xiàn)過壓，欠壓時還能使得系統(tǒng)正常的運行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。逆變系統(tǒng)中的控制電路中的芯片需要驅(qū)動電路才能 運行， SPWM 波的產(chǎn)生電路中也需要驅(qū)動電路才可以正常的運行。 SPWM 控制技術(shù)原理 正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）即 通過按 正弦波變化的脈沖控制逆變主電路中的開關(guān)器件的通斷來得到正弦波等效 的 PWM 波形。 圖 31 用 PWM 波替代正弦半波 由于脈沖波形是由正弦波確定的，因此個各脈沖的幅值不同，各脈沖的幅值是按照正弦規(guī)律變化的。 SPWM 分為單極性與雙極性兩種調(diào)制方式。 單極性控制方式的原理是只在正半周期或負半周期 控制 IGBT 管的通斷， 像這種通過單極性控制方式得到的 SPWM 波形的調(diào)制方式為單極性調(diào)制方式。當(dāng)采用雙極性調(diào)制方 式時，由于載波 uc在基波的半個周期內(nèi)的波形出現(xiàn)了有正有負的現(xiàn)象，因此經(jīng)過調(diào)制后的 SPWM 波同樣 也是有正有負，不再是單極性的變化了。U d 兩種電平， IGBT 管的通斷控制也是在 ur與 uc的交點時刻。上述兩種調(diào)制方式對于逆變主電路中的開關(guān)器件通斷的時間控制 不同， 單極性控制方式中的載波只在正極性或負極性這一種極性變 化，所得到的的 PWM 波也只有一種極性。根據(jù)設(shè)計要求，逆變電源所 得到的輸出波形為正弦波，因此，本設(shè)計中采用雙極性控制方式。因此，以 SPWM 為控制方式的控制方案可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 下邊主要介紹硬件調(diào)制法與軟件生成法。下邊介紹一種為了解決等面積法計 算繁瑣而出現(xiàn)的方式 硬件調(diào)制法。使用硬件調(diào)制法得到SPWM 波時，一般情況下使用的載波為等腰三角波，而調(diào)制信號一般為正弦波。此種方法簡單，但由于模擬電路的復(fù)雜性使得所得到的的信號準(zhǔn)確性不高。軟件生成法就是利用軟件來實現(xiàn)調(diào)制，軟件生成法包括：自然采樣法、規(guī)則采樣法。 1） 規(guī)則采樣法 規(guī)則采樣法以一種應(yīng)用較廣的方法，