毕业设计(论文)家用逆变电源的设计.doc

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1、湖南第一师范学院毕业论文(设计)题目家用逆变电源的设计学生姓名学号指导教师院部名称信息科学与工程学院专业班级12电子1班完成时间2016年4月17日湖南第一师范学院教务处制 本科毕业论文(设计)家用逆变电源的设计学生姓名：院部名称：信息科学与工程学院专业名称：电子科学与技术指导教师：毕业论文(设计)作者声明1本人提交的毕业论文(设计)是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除文中特别加以标注的地方外，本文不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中明确标明。2本人完全了解湖南第一师范学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学院保留并向国家有关部

2、门或机构送交本文的复印件和电子版，允许本文被查阅、借阅或编入有关数据库进行检索。同意湖南第一师范学院可以采用影印、打印或扫描等复制手段保存和汇编本文，可以用不同方式在不同媒体上发表、传播本文的全部或部分内容。3湖南第一师范学院在组织专家对毕业论文(设计)进行复审时，如发现本文抄袭，一切后果均由本人承担，与学院和毕业论文指导教师无关。作者签名： 日期：二一 年 月 日摘 要 本文论述是一种采用STC12C5A60S2单片机为核心的SPWM逆变电源，能将输入的12V直流电逆变成稳定的220V交流电输出，单片机通过自然数查表法控制内部的两路硬件PWM模块生成SPWM脉冲信号，采用单极性调制方案驱动单

3、相全桥逆变电路，输出经LC低通滤波器滤波，最后在负载上得到稳定的正弦波交流电。该系统主要由整流电路、滤波电路、逆变电路、驱动隔离电路、电源电路、保护电路以及单片机的最小系统组成。另外本系统外接按键及液晶屏，按键能设定电源输出电压和频率，液晶屏能实时显示输入电压及输出电流，输出正弦波的频率，使系统的安全及稳定得到了很大提升。本正弦波逆变器主要用的是SPWM控制技术，整体的电路具有简单的结构而且在机械特性方面也表现良好，同时价格也比较低廉。这样的设计能完美达到题目的需求并且已经在各种相关的行业里被普遍采用。关键词：SPWM；单极性调制；单相逆变；STC单片机 ABSTRACTThis articl

4、e discusses the use of STC12C5A60S2 a microcontroller core of DC-AC inverter, 12V DC input reverse can become stable 220V AC output. Then the microcontroller through a natural number look-up table inside another channel hardware PWM control module generates SPWM pulse signal modulation scheme unipol

5、ar drive single-phase full-bridge inverter circuit, output by the LC low-pass filter ,the final stable pure sine wave AC output to the load. Single-phase trapezoidal wave PWM (pulse width modulation) inverter SPWM inverter structure and structural similarities, including the DC power supply, single-

6、phase full-bridge inverter circuit, control circuit, filter circuit.In addition the system external buttons and LCD screen, LCD screen can display real-time input voltage and output current, the systems security and stability has been greatly improved.The sine wave inverter is mainly using SPWM cont

7、rol technology, the whole circuit has simple structure and has good mechanical properties, at the same time, the price is cheap. This design can achieve perfect subject requirements and has been widely used in all kinds of related industries. Key words: SPWM; Dual polarity modulation; One-way bridge

8、; The STC of Single chip microcomputer 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 研究目的及要求11.2 相关研究现状及前景1第2章 系统分析32.1 逆变器的基本概念与工作原理32.1.1 正弦波逆变器的电路构成32.1.2 常用逆变器调压方法32.2 SPWM调制变频技术32.2.1 单极性SPWM42.2.2 双极性SPWM5第3章 硬件设计63.1 电路原理图63.2 原理论述63.2.1 单片机的选择73.2.2 滤波电路83.2.3 电压检测电路83.2.4 全桥逆变电路93.2.5 驱动电路的选择93.2.6 电流检测电路10

9、第4章 程序设计114.1 程序选择说明114.2 SPWM查表114.3 程序结构流程图124.3.1 主程序流程图124.3.2 定时器中断程序流程图134.3.3 按键程序流程图144.3.4 ADC检测数据程序15第5章 系统测试165.1 单片机输出波形测试165.1.1 测试仪器165.1.2 测试方法165.1.3 测试结果165.2 电路效率测试175.2.1 测试仪器175.2.2 测试方式175.2.3 测试结果17第6章 结束语196.1 结论196.2 存在问题19致谢20参考文献21附录一：总电路原理图22附录二：实物效果图23附录三：程序代码24第1章 绪 论1.1

10、 研究目的及要求掌握正弦波逆变器的电路组成，重点明白其中各元器件的原理及用处，对正弦波逆变电路在电阻负载、电阻电感负载的工作情况及其波形作全面分析，并研究工作频率对电路工作波形的影响。采用SPWM控制方式对逆变电桥进行调制，最后经电容、电感过滤实现正弦波逆变的目的。1.2 相关研究现状及前景 逆变电源的发展与和电力电子器件的发展息息相关，可以说电力电子器件器件的发展引导着逆变电源的发展。上世纪60年代正是电力电子技术飞速发展的时期，逆变电源就是在这个时期产生的，直到现在，逆变电源已经经过了三代的发展。第一代逆变电源是把晶闸管当做逆变器的开关器件，叫做可控硅逆变电源，因为之前的晶闸管无自己关断的

11、能力，即使增加了换流电路，也使得逆变电源接下来的发展空间受到局限。从上世纪70年代末开始，许多自关断器件相继被发明出来，例如可关断晶闸管、电力晶体管等，这也促进了逆变电源的发展，于是使用自关断器件作为开关器件的逆变器产生了，这就是第二代逆变电源，使用了自关断器件的逆变器它逆变电源的性能获得了极大的提升，使用了自关断器件的逆变器与初代逆变器相比有了许多优点，首先因为有了自关断功能，所以不再需要换流电路，这样使主电路得到简化以至于降低了成本；其次由于逆变器使用了自关断器件，以至于其性能相比初代得到了极大的提升。这一代的逆变电源通常采用带输出电压有效值反馈的SPWM控制技术来控制。这一代的逆变器拥有

12、简单的结构和容易实现的优点，但也并不意味着它没有缺点，由于它没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，所以还是有不少的缺点的，首先它如果负载是非线性的就没有良好的适应能力，非线性的负载会使输出电压的波形发生畸变；其次因为没有瞬时值的反馈所以它的动态特性也不好；最后因为有控制不到的时间域，同样会使输出的电压波形发生畸变。这些缺点使得第二代逆变电源依然不够完善。随着新世纪新型电源控制技术的快速发展，针对第二代逆变电源的不足，掌控了实时反馈控制技术，从此第三代逆变电源由此诞生，这种技术到现在还在不断地改进。实时反馈控制技术现存很多种，考虑动态性能和适应性等方面，带电流内环的电压瞬时值反馈控制是

13、现阶段被大众接受的技术1。第2章 系统分析2.1 逆变器的基本概念与工作原理 正弦波逆变器的电路构成直流变交流的部分称为逆变部分，逆变器的作用是将直流电转化为交流电经过电感滤波后供给负载，这里的LC滤波是为了滤除高次谐波，得到正弦波，而逆变器因为它输出的电压和频率与输入的直流电源无关所以为称为无源逆变器。无源逆变器是正弦波逆变电路的关键。本设计采用的是单相桥式逆变电路，输出电压及频率的大小是使用PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制调节的。 常用逆变器调压方法可控整流器调压：通过负载对电压的要求，使用可控的整流器来完成对逆变器输出电压的调节。 直流斩波器调压：

14、在确定逆变器的电源侧有较高功率的情况下，通过不可控整流器可以在直流环节中通过设置改变直流斩波器来进行对电压的调节。 逆变器自身调压：在采用不可控整流器的前提下逆变器能用自身的电子开关进行斩波控制，这样就可以得到脉冲列，通过改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，就可达到对输出的电压进行调节，这种方法被称为脉宽调制（PWM）。2.2 SPWM调制变频技术SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉冲宽度调制）调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。如图2-1所示，等效的原则是每一区

15、间的面积相等。假使把一个完整周期的正弦半波无限切割成n等份，接下来把用一个与此面积相等的矩形脉冲来替换各等份的正弦波曲线与横轴所围成的面积，所代替的矩形脉冲其幅度值不发生变化，正弦波每一等份的中点与各个脉冲的中点相重合，由此n个相同幅度，宽度不同的矩形脉冲所构成的波形就与正弦波的半个周期效果相同。正弦波的另一个半周期同样适用一样的方法与其等效。假使整流器输出的直流恒定电压为Us，而且使得电机绕组的中点与直流电压中点相互连接，那么SPWM脉冲序列波的幅度值变为Us/2。此处正弦波值跟第i个矩形脉冲的宽度将近成正比例。于是跟半周期正弦波相同效果的SPWM波形是中间宽、两边窄，脉冲宽度按正弦波形的法

16、则慢慢改变的序列脉冲波形。跟其余各种变频变压调制方式相比较，此脉冲序列比常规六拍阶梯波更加靠近于正弦波。这种方法方便让负载电流中的高次谐波成分极大的减弱，由此转为矩形脉动很小，系统整体性能有了极大的提升。通常情况下，SPWM有单极性和双极性两种不同的调制方式。 T图2-1 SPWM的输出波形图 单极性SPWM在单极性SPWM输出的每半周期内，脉电压仅有一种极性，负半周期为一U和零，正半周期为十U和零，它的波形调制工作特点如图2-2所示。单极性SPWM调制的工作特点：均在半个周期里面，逆变电桥同一桥臂的两个逆变器件中仅有一个，按照脉冲系列的法则;一个是时通时断的工作，而另一个完全截至;并且在另一

17、个半周期里面，这两个器件的工作情况刚好相反2。wtU-U 图2-2 单极性调制的工作特点图 双极性SPWM上述的单极性SPWM 逆变器主电路每相只有一个开关器件反复通断。假使通过同一桥臂上、下两个不同的开关器件交替地打开和关闭，那么输出的脉冲在“+和“”之间变化，由此就有了双极性SPWM波形3。双极性SPWM调制的工作特点：在逆变桥运作的时候，同一桥臂的两个逆变器件一直按照相电压脉冲系列的法则不断地打开与关闭，时刻进行，从不间断。具体工作特点如图2-3 所示。OwtU-U图2-3 双极性调制的工作特点图第3章 硬件设计 本正弦波逆变器主要用的是SPWM控制技术，整体的电路具有简单的结构而且在机

18、械特性方面也表现良好，同时价格也比较低廉。这样的设计能完美达到题目的需求并且已经在各种相关的行业里被普遍采用。3.1 电路原理图图3-1 主回路原理图从图3-1中可以看出，输入12V直流电压经过滤波电路的这个部分采用电容进行过滤，在逆变的部分采用了四个金属氧化物半导体管（即MOS管）组成了一个单相桥式逆变电路，后使用用单极性的调制方式进行调制，输出的SPWM波形过经电感、电容组成的LC滤波器滤除高次谐波，得到一个8V的纯正弦波。输出的8V正弦波电压经过工频变压器升压到220V家用交流电压4。3.2 原理论述此设计主要使用的硬件电路有7805降压电路、电压检测电路、全桥逆变电路、IR2104驱动

19、电路、单片机电路、按键设置电路、显示模块、电流检测电路、LC滤波器、工频变压器、以及一些外围电路，详细的系统框图如图3-2所示。图3-2 电路系统框图 单片机的选择此设计所采用的单片机是STC12C5A60S2，它能让系统的功能到完美的实现，可以有效的输出两路PWM波形，通过软硬件设计，达到多功能的电机控制，此单片机的存储字节数可达到60K之多，并且拥有36个I/O口，具有2路PWM输出、8路10位ADC转换、每个I/O能设置成弱/强上拉、高电阻、开漏状态，此单片机里面包含上电复位电路，抗干扰，抗静电，低成本，低功耗，性价比高6。本设计单片机电路图如图3-3所示。图3-3 单片机电路图 滤波电

20、路滤波电路的作用是把直流电压过滤，过滤掉其中不平整的脉动，这样的目的是确保之后的电路环节能得到优秀质量的电压或电流，本电路的滤波电路部分采用的是电容滤波电路。虽然从理论上来讲只要电容值越大那么过滤的效果就越好，但是出于对实际的考虑无论结构上还是价值上都不能这样，所以要计算电容的实际大小。要设计一个滤波电路通常都会选择具有较高电抗性的元件，简单的滤波电路一般是在负载上并联一个电容器或者在负载上串联一个电感器，如果同时使用电容和电感组成滤波电路则被称为复式滤波电路。 交流电转换为直流电后会有电压波动，这里通过电容率波过滤掉电压波动。当直流电转换为交流电的时候为了在负载得到无畸变的正弦波这里采用复式

21、滤波器。本设计采用的滤波电路如图3-4所示。图3-4 滤波电路图 电压检测电路由于在电机运行过程中，可能会产生电网电压波动的情况，如果电网低于某个数值时，可能会损坏正在运行的用电器，所以需要对母线电压进行检测。具体电压检测电路如图3-5所示，由于=12V，而单片机的采样电压最高位5V，故采样电阻比例 (3-1) 这里取R1和R5是100K 和10K， (3-2)153? 关闭PCA计数器；index=0；zf=zf；index No Yeszf=1?前半周期？ No右半桥打开，左半桥关闭左半桥打开，右半桥关闭 YesPCA开始计数zf=1?前半周期？ No右半桥PWM赋值 Yes左半桥PWM赋

22、值结束 图4-2 中断程序流程图 按键程序流程图本设计按键流程图如图4-3所示。按键程序中主要是控制机器的逆变H桥的工作的使能，按第一下，H桥工作，再按下后取反，H桥停止工作。按键1控制频率的增加，按键2控制频率的减小，按键3控制IC2104使能是否工作。 进入有按键按下？No延时10msBreak频率99Hz？按键1按下？ Yes Yes频率=99Hz频率+ 按键2按下？频率2Hz Yes NoBreak频率-频率=2Hz YesNoIC2104使能开半桥工作K=1?K取反按键3按下？YesBreak Yes NoIC2104使能关半桥不工作default退出 图4-3 按键程序流程图4.3

23、.4 ADC检测数据程序在如图4-4所示ADC检测数据这个子程序中，这里用数字平均滤波算法，采集200个数据，然后取平均值，使得到的数据更加接近真实状况，使得显示出来的电压和电流不会乱跳，抗干扰能力得很大的提高。进入 count=0Nocount200?count+Yes启动该通道的AD转换ADC转换完成？ No获得ADC数据Yesvalue=value+ADC数据value=value/200返回value数字退出 图4-4 ADC检测数据程序流程图第5章 系统测试5.1 单片机输出波形测试 测试仪器因为要对单片机输出电压和SPWM波形进行测试，所以需要示波器。实验采用Siglent双通道2

24、00M示波器。 测试方法第一步：将双通道示波器的两个探针接在单片机输出PWM的引脚；第二步：记录波形数据；第三步：改变单片机输出SPWM的频率，返回第一步操作，直到调出50HZ的SPWM 波测试完。 测试结果 把示波器的其中一个探针接到其中一个PWM输出端口，另一个探针接到另外一个端口，得到的SPWM波形，经过LC滤波后出来的波形如图5-1所示。接入LC滤波器后，SPWM波形变为纯正弦波。图5-1 输出结果波形图经过测试，该设计能输出10V/50HZ的正弦波，其中SPWM波形设有死区时间，在软件上避免了单向电桥的共态导通。5.2 电路效率测试 测试仪器需要测试电源的带载性能及效率，需要万用表和

25、负载。1.可调压电源：本实验采用兆信30/5A数显线性电源。2.万用表：深圳胜利VC980+数字万用表，数量为4个。3.负载：负载为100W 50的环形滑动变阻器。4.示波器：单片机输出的载波频率为47KHZ。 测试方式测试示意图如图5-2所示： 图5-2 测试图测试步骤：第一步：按照测试图接好电流表电压表和大功率滑动变阻器，滑动变阻器调到最大；第二步：打开试验用可调电源打到12V；第三步：逐步调大滑动变阻器的电阻值，记录V2，A2，A1，V1的变化数据；第四步：逐步调整调节滑动变阻器，每调整一次做一次的记录； 第五步：返回第四步，直到输出电流过大，达到自保护的状态。 测试结果测试额定功率下的

26、供电效率，测试结果如下表所示。表5-1 输入输出电流电压记录表U1(V)(DC)I1(A)(DC)U2(V)(AC)I2(A)(AC)效率0.20 8.4 0.21 0.74 0.34 8.4 0.42 0.85 0.46 8.4 0.61 0.91 0.60 8.4 0.80 0.92 0.76 8.4 1.02 0.93 0.88 8.4 1.21 0.95 1.01 8.4 1.39 0.95 1.17 8.4 1.61 0.95 1.30 8.4 1.81 0.96 1.45 8.4 2.02 0.96 0.10 0.0 0.00 0.00 由以上数据得到：满载输出情况下，供电效率为9

27、6%。 第6章 结束语6.1 结论 SPWM逆变电源设计全面阐述了正弦波逆变器的基本结构、驱动原理以及硬件软件的设计。本文所设计的基于51单片机的正弦波逆变器具有硬件结构简单、保护功能完善等特点。主要实现了如下功能：(1)采用STC12C5A60S2作为控制核心，加强智能控制； (2)具有安全控制系统，能实现了系统的过流保护、堵转保护；(3)设计了驱动电路、控制电路的设计，提高系统的可靠性：(4)系统软件采用模块化设计，为二次开发提供了非常便利的条件。6.2 存在问题由于时间和能力方面的限制，本文所设计的正弦波逆变器还有进一步改善的方法，使系统具有更好的灵活性和稳定性。致谢本论文是在肖杰老师的

28、全力指导下完成的，首先要对肖杰老师表示最衷心、最诚挚地感谢！本论文的选题、设计到最后的完成与他精心地指导，时时的督促和认真的修改是分不开的。在拿到课题时，他耐心仔细的向我讲述设计的原理及知识重点是什么，并一再表示有不懂得可以随时去问他。中期检查的时候，他认真询问了我的设计进展及我的大体设计思路，并对我的不足之处及不会的地方给予了专业的指导。肖老师严谨的治学态度，耐心的指导以及对工作兢兢业业，是我们学习的典范，给我们留下了深刻的印象，使我深受感染。同时，我也深深的感谢大学过程中给我传授知识的老师和一起相处的同学给我无私的关心和帮助。在我遇到学术问题时，各位老师总能满心的解决我的疑问。在我感到失望

29、，烦躁时，身边的同学总会开导我，安慰我。在我取得进步时，和我一起高兴，谢谢你们和一起分享大学生活中的点点滴滴，酸甜苦辣！参考文献1 魏伟.正弦波逆变电源的研究现状与发展趋势J.电气技术,2008,(11):5-7.2 桂爱刚,万火金,刘建国. 单极性SPWM波形调制开关点计算及其谐波分析J.江西能源,2008,(02):26-29.3 石新春,陈雷,张玉平. 双极性SPWM调制的单相工频正弦波逆变器的设计J.通信电源技术,2008,(04):53-56.4 张彦兵,宁媛,袁浩.基于SPWM控制的正弦波逆变器的研究与设计J.工业控制计算机,2013,(08) :67-70.5 周俊杰,钱晓耀,陈

30、上挺.一种基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源TM.2008,(04):100-110.6 李娜,邵利敏,赵秋霞,郭燕霞.基于16位单片机的逆变电源系统的设计TM.2007,(10):91-98.7 张竹,张代润,何易桓,王超. 一种多功能逆变电源的设计与实现J. 电源世界, 2009,(01):88-94.8 刘剑飞,王富洲.新型IGBT半桥驱动芯片IR22141应用研究J. 微电机. 2008,(04):23-26.9 林立,张俊亮.单片机原理及其应用M. 北京：电子工业出版社,2012.10 郭天祥. 51单片机C语言教程M. 北京：电子工业出版社,2000. 附录一：总电路原理图附录

31、二：实物效果图附录三：程序代码/*spwm产生程序*/*单片机STC12C5A60S2，晶振，正弦波50Hz，spwm波形21.6KHz*/#include #include /*use _nop_() function*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ADC_FLAG 0X10uchar code pwm54=255,240,226,211,196,182,168,154,141,128,115,103,91,80,69,59,50,42,34,27,20,15,10,6,3,1,0,0,1,3,6,1

32、0,15,20,27,34,42,50,59,69,80,91,103,115,128,141,154,168,182,196,211,226,240,255; / 反正弦变化uchar code Hz=0x26,0x7D,0x6E,0xFD,0x93,0x3E,0xA8,0xFE, /250xB7,0x7E,0xC1,0xD9,0xC9,0x9E,0xCF,0xA9,0xD4,0x7E,0xD8,0x73,0xDB,0xBE,0xDE,0x88,0xE0,0xEC,0xE2,0xFE, /11150xE4,0xCE,0xE6,0x68,0xE7,0xD4,0xE9,0x19,0xEA,0x3E,0xEB,0x53,0xEC,0x44,0xED,0x20,0xED,0xE9,0xEE,0xA2, /21250xEF,0x4D,0xEF,0xEB,0xF0,0x7E,0xF1,0x07,0xF1,0x87,0xF1,0xFE,0xF2,0x6E,0xF2,0xD7,0xF3,0x3B,0xF3,0