【正文】 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(zhǎng)足的進(jìn)步，在此期間逆變器技術(shù)也飛速發(fā)展起來(lái)。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(shí)驗(yàn)室等方面，并可用來(lái)檢測(cè)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(jià)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(guò)改變逆變主電路中的開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)間來(lái)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(jì)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(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等。 設(shè)計(jì)指標(biāo)及實(shí)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(gè)元器件，最終做出電源的實(shí)物。逆變電源出現(xiàn)之初逆變電路中采用了Thyristor（晶閘管）開(kāi)關(guān)器件，因?yàn)殡娐分胁捎镁чl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(shí)也帶來(lái)一些問(wèn)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(diǎn)。此種電源的優(yōu)點(diǎn)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(kāi)關(guān)頻率、動(dòng)態(tài)壓降均減小。第三代的逆變電源是應(yīng)對(duì)前兩種電源中出現(xiàn)的缺點(diǎn)而提出的。該種逆變電源的出現(xiàn)大大提高了系統(tǒng)對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性以及其動(dòng)態(tài)特性。本文的內(nèi)容分為以下幾個(gè)章節(jié)：（1）介紹本課題的來(lái)源、目的及其意義，并介紹逆變電源的國(guó)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(shí)現(xiàn)方法，即利用單片機(jī)芯片生成SPWM波。（5）逆變電源的制作。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(hào)Ue是通過(guò)基準(zhǔn)信號(hào)Ur和采樣信號(hào)Uof相比較再通過(guò)相應(yīng)的處理器而得到的，再將此信號(hào)與載波Uc相比較，經(jīng)適當(dāng)?shù)倪壿嬜儞Q和驅(qū)動(dòng)電路后控制逆變器，如圖21(a)所示。（a）單閉環(huán)控制框圖（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 單周期控制技術(shù)在20實(shí)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(hào)控制方式。此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是輸入信號(hào)不受負(fù)載信號(hào)中的諧波的影響，即在有諧波的影響下輸入信號(hào)也不會(huì)發(fā)生畸變。由于對(duì)于非線性負(fù)載的適應(yīng)性較強(qiáng)，因此單周期控制技術(shù)控制下系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)。 逆變器的數(shù)字控制隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)逆變電源的技術(shù)提出了更高的要求，為了應(yīng)對(duì)各種不同的要求，逆變器的控制方式也越來(lái)越數(shù)字化，這也成為現(xiàn)代逆變技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。（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(hù)更為方便，系統(tǒng)的一致性得到提高。（4）系統(tǒng)維護(hù)方便，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中若出現(xiàn)故障，可以通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)模型、芯片的運(yùn)行來(lái)進(jìn)行調(diào)試、判斷出故障的出處，進(jìn)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(lái)越廣，數(shù)字化控制的逆變電源也越來(lái)越受到關(guān)注，當(dāng)今電源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)就是逆變電源的數(shù)字控制，與數(shù)字化相對(duì)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(wú)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(zhǎng)足的發(fā)展，不斷的完善逆變電源的各種性能。近年來(lái)，隨著對(duì)逆變系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，隨之系統(tǒng)的復(fù)雜性也增強(qiáng)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(dòng)態(tài)控制中。盡管PID控制可以快速的響應(yīng)反饋信號(hào)，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤正弦波信號(hào)，同時(shí)系統(tǒng)中的非線性負(fù)載對(duì)PID的影響也較大，因此使用PID控制時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，基本上無(wú)法滿足系統(tǒng)的要求。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(duì)逆變系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)有詳細(xì)的了解。本章詳細(xì)地介紹逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制方式并確定本設(shè)計(jì)中的控制方式。同時(shí)逆變主電路還要受到控制電路的控制，通過(guò)控制電路的控制逆變主電路中的開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)間的控制，最后得到一個(gè)與期望相符的輸出波形。下面對(duì)各個(gè)部分做一些簡(jiǎn)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(shí)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(hào)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(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較后，然后將比較后的信號(hào)通過(guò)處理器后再作為輸入送人逆變主電路中，直到輸出信號(hào)與基波信號(hào)一致時(shí)，采樣調(diào)理電路就不再工作。過(guò)欠壓保護(hù)電路的主要作用就是在系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)壓，欠壓時(shí)還能使得系統(tǒng)正常的運(yùn)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(dòng)電路才能運(yùn)行，SPWM波的產(chǎn)生電路中也需要驅(qū)動(dòng)電路才可以正常的運(yùn)行。 SPWM控制技術(shù)原理正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）即通過(guò)按正弦波變化的脈沖控制逆變主電路中的開(kāi)關(guān)器件的通斷來(lái)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(gè)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(fù)半周期控制IGBT管的通斷，像這種通過(guò)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(shí)，由于載波uc在基波的半個(gè)周期內(nèi)的波形出現(xiàn)了有正有負(fù)的現(xiàn)象，因此經(jīng)過(guò)調(diào)制后的SPWM波同樣也是有正有負(fù)，不再是單極性的變化了。Ud兩種電平，IGBT管的通斷控制也是在ur與uc的交點(diǎn)時(shí)刻。上述兩種調(diào)制方式對(duì)于逆變主電路中的開(kāi)關(guān)器件通斷的時(shí)間控制不同，單極性控制方式中的載波只在正極性或負(fù)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(jì)要求，逆變電源所得到的輸出波形為正弦波，因此，本設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jì)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(shí)，一般情況下使用的載波為等腰三角波，而調(diào)制信號(hào)一般為正弦波。此種方法簡(jiǎn)單，但由于模擬電路的復(fù)雜性使得所得到的的信號(hào)準(zhǔn)確性不高。軟件生成法就是利用軟件來(lái)實(shí)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，圖34所示為規(guī)則采樣法的示意圖。在自然采樣法中，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)并不和三角波一個(gè)周期的中點(diǎn)重合。在圖34中，三角波的負(fù)峰值時(shí)刻對(duì)正弦信號(hào)波采樣而得到M點(diǎn)，過(guò)M點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交與A、B兩點(diǎn)，在A、B兩點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷。 圖34 規(guī)則采樣示意圖上面對(duì)PWM控制技術(shù)的原理進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)能生成SPWM 控制脈沖的各種方法進(jìn)行了介紹。一般情況下均采用DSP芯片作為SPWM波產(chǎn)生的主要形式，但本設(shè)計(jì)中的功率參數(shù)要求并不高，同時(shí)考慮到成本問(wèn)題，使用單片機(jī)完全可以滿足設(shè)計(jì)的要求。在圖35所示的仿真中，主要通過(guò)對(duì)單片機(jī)中的定時(shí)器的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM波的產(chǎn)生，圖中的X1為晶振，晶振大小為10KHZ，由它來(lái)控制單片機(jī)的輸出頻率。圖35 SPWM產(chǎn)生電路圖36 SPWM波形334 系統(tǒng)硬件電路逆變系統(tǒng)包括逆變主電路、濾波電路、升壓電路、SPWM生成電路等，根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)來(lái)確定各個(gè)電路中元器件型號(hào)，完成對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。電源的整體框圖如圖41所示：圖41 電源整體框圖逆變電源的工作過(guò)程為：輸入為直流電壓24V，經(jīng)過(guò)升壓電路后電壓供給逆變器主電路。 逆變電源主電路的設(shè)計(jì)及仿真逆變電源主電路如圖42所示，逆變電路的輸入為直流電壓E=51V，是由升壓模塊得到的，本實(shí)驗(yàn)中的升壓模塊采用的是推挽式升壓模塊，它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以將輸入電壓升壓至任何值，使用推挽式升壓電路完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。Q1Q4為四只IGBT管，它的開(kāi)關(guān)頻率高，損耗小，參數(shù)離散小，可靠性高，高溫性能穩(wěn)定，氣動(dòng)性能穩(wěn)定，由IGBT構(gòu)成的逆變器效率高，輸出電壓與電流的波形失真小，噪音低。圖 42 逆變主電路 死區(qū)時(shí)間控制電路的設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)間控制電路就是為了防止輸出信號(hào)失真，由于IGBT等功率器件內(nèi)部存在結(jié)電容，會(huì)造成功率器件通斷時(shí)間的延時(shí)。本設(shè)計(jì)中采用74HC08與74HC14組成的與非門(mén)。死區(qū)時(shí)間控制電路如圖43所示。本設(shè)計(jì)中LC濾波器采用如圖44所示的低通濾波器:圖44 低通濾波器輸出電壓的波形主要和濾波電路中的電感與電容的值有關(guān)，濾波器中的電感值得大小主要影響輸出波形中的諧波，電感的值越大，輸出波形中的諧波越少，但是增大電感的同時(shí)會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能降低，增大了輸出波形的畸變程度，因此電感不能過(guò)大也不可過(guò)低。濾波器中電感與電容值的選擇與濾波電路的轉(zhuǎn)折頻率有關(guān)，濾波電路轉(zhuǎn)折頻率的值如式42所示： (42)式中： fc—濾波電路的轉(zhuǎn)折頻率， fs—系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率濾波器的轉(zhuǎn)折頻率fc的計(jì)算公式為： (43)根據(jù)上述將式44改寫(xiě)為：