毕业设计(论文)-基于单片机的逆变器的设计.doc
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1、 学校代码: 11059 学 号: Hefei University 毕业设计(论文)BACHELOR DISSERTATION论文题目: 基于单片机的逆变器的设计 学位类别: 工 学 学 士 年级专业(班级): 09自动化(1)班 作者姓名: 导师姓名: 完成时间: 2013年5月21日 基于单片机的逆变器的设计中 文 摘 要电力系统变电站和调度所的继电保护和综合自动化管理设备有的是单相交流供电的,其中有一部分是不能长时间停电的。普通UPS设备因受内置蓄电池容量的限制,供电时间比较有限,而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大,所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。随着电力电子技术
2、的飞速发展,正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中,与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面:一是稳态精度高;二是动态性能好。因此,研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略,已成为电力电子领域的研究热点之一。应用模拟电路控制逆变电源的技术已经发展多年,但是它仍存在着诸如电路结构复杂、抗干扰能力弱和调试困难等缺点。随着高性能微处理器的出现,使得逆变电源的数字化控制成为现实。数字控制技术能够简化电路,克服温漂,是逆变电源的发展趋势。本文顺应这种趋势设计了一台基于单片机控制的高频链正弦波逆变电源。文章首先阐述了逆变
3、技术的研究背景和发展历程,同时着重介绍了逆变器数字控制技术的应用前景,提出了本课题的主要研究内容;其次,介绍了逆变系统方案选择与设计部分,分析与比较了几种具有代表性的逆变器系统结构及其控制策略的优缺点;最后,对逆变电源各个关键工作点的波形以及在不同负载情况下的最终输出波形进行测试分析。实验结果表明,本电源基本达到了设计指标的要求。关键词:高频链逆变电源;高频变压器;SPWM;反馈控制;单片机2Design of sinusoidal Inverter Power Supply Based on MicrocontrollerABSTRACTWith the continuing develop
4、ment of electronic technology, inverter power supplies are widely used. Analog Control Inverter technology has been developed for many years, but there are also some shortcomings, such as circuit complexity, weak anti-interference ability and so on. With the emergence of high-performance microproces
5、sors, making the digital control of inverter become a reality. Digital control technology can simplify the circuit and overcome temperature drift. It is the development trend of power inverter. Response to this trend, in this thesis we designed a microcontroller-based chain of high frequency sine wa
6、ve inverter.The emergence and development of link invert technology is introduced in this paper first. While highlighting the application prospect of digital control technology in inverter, presented the main contents of this thesis. Analysis and compare the advantages and disadvantages of several r
7、epresentative inverter system structure and control strategy in the electrical way design part. We choose single-pole SPWM control unidirectional high-frequency link inverter which is easy to realize. Then the electrical way of whole system is determined. The principle of push-pull circuit structure
8、 is analysised in the design part of DC-DC push-pull step-up. Then calculate the parameters of MOSFET, rectifier diode and output filter to select the appropriate devices. Design the isolated voltage feedback circuit based on TLP250.In the high frequency transformer design part, through formula calc
9、ulated we can derivate the maximum power capacity of the core, first-class turns ratio and winding specifications. In the part of DC-AC, including hardware design and software design. In the hardware design, we described the principle of full-bridge DC-AC inverter topology and design RCD Uptake buff
10、er circuit, after class output filter, over-current protection circuit and voltage sample conditioning circuit. In part of software design, ATmega128 microcontroller is used to implement the control function in the inverter power supply so digital control both of the generation of SPWM signal and ne
11、gative feedback control is realized.KEY WORD: MCU; Inverter; TDS2285; Negative feedback control; SPWM目录第一章 前言11.1概述11.2逆变技术的发展方向21.2.1半导体功率器件的发展21.2.2提高逆变器的效率21.2.3提高逆变器的工作可靠性和EMC性能31.3数字控制逆变器的研究现状31.4本文的主要研究内容3第二章 逆变系统方案的选择及设计42.1现有逆变方案对比42.1.1低频链逆变系统42.1.2高频链逆变器52.2单向电压源高频链逆变器实现方案62.2.1 DC-DC变换器72
12、.2.2 DC-AC逆变器92.3逆变系统控制策略102.3.1 SPWM波的实现方法102.3.2 SPWM的控制方式112.4本章小结12第三章 逆变器前级DC/DC推挽升压133.1推挽电路结构原理分析133.2 DC-DC推挽主电路参数的计算143.2.1功率开关管的选择143.2.2整流二极管的选取153.2.3前级输出滤波器的设计153.3前级DC-DC控制电路设计153.3.1 ATmega128L功能简介153.3.2 基于ATmega128L单片机的PWM波的生成163.4高频变压器的设计183.4.1磁芯几何尺寸的确定183.4.2变压器线圈匝数的计算203.5本章小结21
13、第四章 逆变器后级DC/AC单相全桥逆变224.1 DC-AC主电路结构分析224.2 DC-AC电路参数计算244.2.1开关频率的选择244.2.2逆变电路功率开关管的选用244.2.3吸收缓冲电路的设计254.2.4后级输出滤波器的设计264.3 SWPM波生成及驱动电路的设计284.3.1 SWPM波的生成284.3.2驱动电路的设计294.3.3死区时间电路的设计314.4辅助电路设计314.4.1后级过流保护电路314.4.2电压采集调理电路324.4.3辅助电源电路324.5本章小结33第五章 实验结果分析345.1前级DC-DC驱动波形分析345.2后级DC-AC驱动波形分析3
14、45.3系统输出电压及效率355.4硬件电路外观375.5本章小结39第六章 结论40参考文献41附 录42原理图42部分程序43致 谢51第一章 前言1.1概述电能变换的类型有四种:DC-DC变换器,它是将一种直流电能变换为另一种直流电能的变换器;DC-AC变换器,它是将直流电能变换为交流电能的变换器,这种交流装置称为逆变器;AC-DC变换器,它是将交流电能变换为直流电能的变换器;AC-AC变换器,它是将一种交流电能变换为另一种交流电能的变流器1。在逆变器未出现以前,DC-AC变换时通过直流电动机-交流发电机组来实现的,这种组合称为旋转变流机。随着电力电子技术的高速发展,大功率开关器件和集成
15、控制电路的研发成功,利用半导体技术就可以完成DC-AC变换,这种变换装置称为静止变流器,通常所说的逆变器均指静止逆变器。静止逆变器与旋转变流机相比较,其电气性能优良、高效节能、可靠性高、重量轻和体积小。近来,燃料电池的发展方兴未艾,超大功率DC-AC变换器必将取代旋转变流机。现代逆变技术是一门集半导体器件技术、模拟电子技术和数字控制技术与一身的一门实用技术,基于这一门技术所设计的逆变电源可依照不同的标准可以分成许多种类。逆变电源的发展和电力电子器件尤其是功率开关器件的发展是密不可分的,器件的发展推动着逆变电源技术的发展。逆变电源出现于上个世纪六十年代,它的发展可以分为三个阶段:第一代逆变电源的
16、开关器件采用的是晶闸管(SCR)。它代替了变流机组,减小了逆变电源的体积,但是SCR缺乏自关断能力的缺点严重的阻碍了逆变电源的发展2。第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变器的开关器件,从二十世纪七十年代起,功率器件技术得到了突破,自关断器件问世,而采用自关断器件作为开关管的逆变器性能相比于第一代有了很大的提高。由于开关器件可以自行关断,因此省去了复杂的换流电路,既减小了成本又提高了效率。此外,在控制上,通常是采用单一的输出电压有效值或者平均值反馈的SPWM控制技术。第三代逆变电源采用实时反馈控制技术,它是针对第二代逆变电源对非线性负载适应性不强及动态特性不好而提出来的控制技术。实时反馈控制技
17、术是近年来的研究热点,它是新型的电源控制技术,目前仍然在不断地完善和发展中,实时反馈控制技术种类很多,常用的几种主要有:PID控制;重复控制;谐波补偿控制;无差拍控制;单一的电压瞬时值反馈控制;带电流内环的电压瞬时值反馈控制。在这个时期,各种小型化和高性能的新逆变技术层出不穷,特别是脉宽调制SPWM波形改善技术得到了飞速发展4。1.2逆变技术的发展方向1.2.1半导体功率器件的发展半导体功率器件的发展推动着现代逆变技术的发展,功率器件的发展方向主要有:增大功率容量,提高开关频率,实现多种功能集成化。根据目前在逆变电路中使用到的大功率开关器件,可以将其进行分类,如表1-1所示:表1-1大功率开关
18、器件分类类型名称英文缩写单极型功率场效应晶体管静电感应晶体管MOSFETSIT双极型普通晶闸管可关断晶闸管静电感应晶闸管大功率晶体管SCRGTOSITHGTR复合型绝缘栅型晶体管MOS控制晶体管IGBTMCT目前,在设计逆变电源时最常用到的开关器件为MOSFET、IGBT、GTO、GTR等,但SIT、SITH、MCT等新型开关器件正在研发和推广,必将取代MOSFET、IGBT、GTO、GTR等。1.2.2提高逆变器的效率提高效率,换一句话就是降低损耗。逆变器的损耗包括开关损耗和驱动损耗3。驱动损耗是由功率开关管的控制极特性所决定的,而开关损耗是由功率开关管的换工作方式决定的。在功率开关管导通或
19、关断的过程中,开关管两端电压不为零,流过开关管的电流也不为零,就必将产生开关损耗,这就是传统的硬开关技术。软开关技术就是在电路中加入电感、电容等构成谐振电路,在功率开关管关断后,谐振电感和电容发生谐振,使得电路中的电压(或者电流)按正弦或准正弦的规律变化4,调节谐振电感和电容,令开关管导通时的电压为零,关断时的电流为零,从而实现零损耗开关。由于软开关技术克服了硬开关技术损耗随频率提高而增加的缺点,因此可以使得逆变电源采用更高的频率,实现了整个装置的小型化、轻量化5。当前,为了提高逆变器的变换效率,软开关技术是技术人员的研究重点,其研究的主要内容有:新型软开关控制方式;适用于不同控制方式的控制电
20、路的集成化;变换效率高的新型软开关电路6。1.2.3提高逆变器的工作可靠性和EMC性能对于一件电子产品或电子系统来说,工作可靠性和电磁兼容性(EMC)是相当重要的。由于逆变系统可做到超大容量,并且功率开关管的状态变换会对电网和外部电子设备产生电磁干扰,所以,可靠性设计和EMC设计显得尤其重要,它关系着逆变技术的发展。1.3数字控制逆变器的研究现状在输出波形为正弦波的逆变器中,最常采用的控制方式是正弦脉宽调制(SPWM)。而SPWM控制器既可以采用模拟电路来实现,也可以采用数字电路实现。如果采用模拟电路实现,则存在的主要缺点有:由于电路功能的实现均依靠硬件来完成,故所需的元件多,成本相对较高,电
21、路设计难度大;容易受外界环境(如气温)所影响,调试不方便。随着大规模集成电路和数字控制技术的发展,基于微处理器(MCU)的数字控制器在逆变电源控制系统中得到了越来越广泛的应用。数字控制具有硬件电路结构简单、抗干扰能力强、可靠性高的优点;控制策略的改变只需通过改写软件来实现,控制灵活,调试、维护方便5。1.4本文的主要研究内容全文分六章:第一章为绪论部分。简单介绍了逆变技术的发展历程及发展方向,结合本文的研究方向着重地阐述了数字控制技术在逆变电源的研究现状。第二章首先详细分析与比较现有逆变系统的各种组合方案,根据设计要求选择系统的硬件构架和软件算法;然后,介绍了SPWM的生成原理及控制方式,采用
22、单片机软件直接法生成PWM波和通过反馈控制使电源输出电压稳定。第三章是逆变系统前级推挽升压电路的设计。本章介绍了推挽电路的工作原理,并对电路主要器件参数进行计算,同时根据设计指标对输出滤波器和高频变压器进行设计。第四章主要讲的是逆变系统后级DC-AC变换器的设计。本章首先分析了全桥逆变电路的工作原理并计算主电路器件参数;然后,设计了后级滤波器、过流保护电路等; 第五章测试与分析逆变系统各关键点的工作波形并展示了样机实物图。第六章主要是对本次设计的总结和设计存在的问题以及改进的方法。第二章 逆变系统方案的选择及设计2.1现有逆变方案对比根据设计要求:输入电压DC30V50V,输出电压AC220V
23、,50Hz。这种正弦波输出逆变器的输入电压变化范围较宽,而其输出则要求是稳压的。因此,该逆变电源的逆变电路必须有一个升压的过程。能将直流电能转化为目标交流电能的逆变系统有许多构架方案,各种构架在不同的应用场合下具有不同的优点,下面将对目前常用的逆变系统方案进行分析对比。2.1.1低频链逆变系统低频链逆变器的电路结构框图如图2-1所示:图2-1低频链逆变器的电路结构框图从图中可以看出,低频链逆变器的功率变换方式为DCLFAC,电路由直流电源、输出滤波器、工频逆变器、功率变压器和输出滤波器等组成。它的特点是拥有用于电气隔离和给定电压比的变压器,其工作频率等于输出电压频率。在低频链逆变器当中,按所采
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