数字式逆变电源设计及仿真

中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 40 页数字式逆变电源设计及仿真摘要：现代电力电子技术是以电力为主要研究对象的电子技术。它利用电力电子器件对电能进行变换和控制。当代许多高新技术均与电网的电流、电压、功率和相位等各种基本参数的变换与控制有关，而电力电子技术能实现对这些参数的精确控制和高效处理，尤其是能够实现大功率电能的频率变换，为高新技术的发展提供了强有力的支持。因此，现代电力电子技术不仅仅自身是一项高新技术，而且还是其他高新技术的发展基础。逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置。根据先进国家90年代的统计资料，超过60%以上的电能是经过电力电子技术处理变换后才使用的，而逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。在将来工业高度自动化的情况下，计算机技术、自动控制技术以及以正弦波逆变为最重要部分的电力电子技术将成为最重要的技术。逆变电源技术广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域,是一门综合性的专业技术,它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域,是目前电力电子产业和科研的热点之一。关键词：逆变，PWM波，仿真，分析中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 40 页Digital Inverter Design and SimulationAbstract：Modern power electronics technology is an electronic technology whose main object is power,which can converse and control power by power electronic devices.Nowadays many high-techs are related to the transformation and controlling of various basic parameters such as the current, voltage, power, and the phase of the grid.And the power electronics technology is capable of precise control and efficiently dealing with these parameters,especially in frequency conversion of high-power electrical energy,which greatly supports the high-tech.Therefore, the modern power electronic technology is not only a high-tech itself, but also the basis for the development of other high-techs.Power inverter is a conversion devices using power electronics technology.According to the statistics from advanced countries in the 1990s , over 60% of the electrical energy is transformed by the power electronics, and inverter technology is playing an important role in this transformation.Under the condition of industrial highly automated In the future, the major power electronics technology of computer technology, automatic control technology as well as sine wave inverter will become the most important.Inverter technology,which is widely used in aviation, marine, lectric power, railway transport, post and telecommunications and many other fields,is across the electrical, electronic, microprocessor and automatic control and other disciplines,and is becoming one of the hot in power electronics industry and research currently.Key words：Inverter,PWM wave,simulation,analysis中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 40 页目 录1 绪论 .11.1 现代逆变电源技术及发展现状 .11.2 逆变电源的发展方向 .21.3 论文的主要内容 .42 逆变电源的基本原理和结构 .52.1 输入电路 .52.2 输出回路 .52.3 控制电路 .52.4 逆变电路 .62.5 辅助和保护电路 .62.6 控制策略 .73 逆变电源的控制方法 .83.1PWM 控制策略 .83.2SPWM 控制脉冲的实现方法 .144 逆变电源仿真电路分析 .184.1Proteus 软件 .184.2Proteus 仿真结果 .194.2.1 输入滤波、整流部分 .204.2.2 电压和电流反馈测量部分 .204.2.3 电路电源部分 .204.2.4 驱动电路 .214.2.5 逆变主电路 .235 控制系统设计 .245.1 硬件设计 .245.2 软件设计 .266 附录 .29参考文献 .32中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 40 页致 谢 .34中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 40 页1 绪论1.1 现代逆变电源技术及发展现状美国贝尔实验室于 1956 年研制出世界上第一只晶闸管(SCR)，标志着电力电子技术的开始。现代电力电子技术是以电力为主要研究对象的电子技术。它利用电力电子器件对电能进行变换和控制。当代许多高新技术均与电网的电流、电压、功率和相位等各种基本参数的变换与控制有关，而电力电子技术能实现对这些参数的精确控制和高效处理，尤其是能够实现大功率电能的频率变换，为高新技术的发展提供了强有力的支持。因此，现代电力电子技术不仅仅自身是一项高新技术，而且还是其他高新技术的发展基础。如果说微电子技术是信息处理技术，电力电子技术则是电力处理技术 1。逆变，是对电能进行变换和控制的一种基本形式。电力电子电路的基本功能是使交流电能(AC)与直流电能(DC)之间进行相互转换，基本转换形式有四种，其中将直流电变换成交流电的变换称为 DC/AC 变换，也即通常所说的逆变。它是电力电子领域中最为活跃的部分。随着电力电子技术的发展，逆变技术也随之不断发展。 “现代逆变技术”是综合了现代电力电子开关器件的应用、现代功率变换、模拟和数字电子技术、PWM 技术、频率及相位调制技术、开关电源技术和控制技术等的一门实用设计技术，己被广泛地用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。所谓逆变器，是指整流器的逆向变换装置，其作用是通过半导体功率开关器件(如 SCR，GTO,GTR,IGBT，智能 IPM 功率模块等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。由于是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换，因此转换效率比较高，但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。而多数负载要求逆变器输出的是正弦波，这便是逆变技术经要所在 2。逆变原理早在 20 世纪 30 年代初就被提出过，1948 年美国西屋电气公司用汞弧整流器制成了 3000Hz 的感应加热逆变器。其发展一般认为分为如下两个阶段：1956-1980 年为传统发展阶段，这个阶段的特点是开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善多以重叠加法为主，体积和重量都较大，逆变效率低下，正弦波逆变器开始出现。1980 年到现阶段为高频化新技术阶段，逆变技术发展日趋完善，在器件、电路及控制技术方面呈现出以下特点:中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 40 页（1）集成化。几乎所有全控型器件都由许多单元胞管子并联而成，也即一个器件是由许多子器件所集成。（2）高频化。从高电压、大电流的 GTO 到高频率、多功能的 STT，其工作频率己从数千赫兹到数兆赫兹，这标志着电力电子技术已经进入高频化时代。目前，GTO 的工作频率可达 2kHz，GTR 可达 5kHz，功率 MOSFET 可达数百 KHZ,SIT 则可达 10MHz 以上。(3)全控化。电力电子器件实现全控化，即自关断，是电力电子器件在功能上的重大突破。无论是双极型的 GTO、GTR、SITH 或单极型的 MOSFET、SIT 以及混合型的IGBT、MCT 等，都实现了全控化，从而避免了传统电力电子器件关断时所需的强迫换相电路。(4)控制电路弱电化、控制技术数字化。全控型器件的高频化促进了电力电子控制电路的弱电化。PWM 电路、谐振变流电路以及高频斩波电路，这些本来用于弱电领域的电路如今又成为电力电子电路的主要形式。控制这些电路的技术也逐步数字化 3。常用逆变器基本形式有以下凡种分类方法:按照相数分类，可分为单相逆变器和三相逆变器;按照直流侧电源性质可分为电压型逆变器和电流型逆变器;按照输出波形可分为正弦波逆变器和非正弦波逆变器;按照输出能量的去向可分为有源逆变和无源逆变;按照逆变器主电路的形式可以分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变;按控制分类，可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。有源逆变常用于直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机的串级调速和高压直流输电等方面。无源逆变应用十分广泛，在已有的各种电源中，蓄电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时就需要通过无源逆变电路。另外工业用的变频变压电源、恒频恒压电源、感应加热用交流电源中和空调、冰箱等家用电中也有广泛应用。根据先进国家 90 年代的统计资料，超过 60%以上的电能是经过电力电子技术处理变换后才使用的，而逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。在将来工业高度自动化的情况下，计算机技术、自动控制技术以及以正弦波逆变为最重要部分的电力电子技术将成为最重要的技术。1.2 逆变电源的发展方向电源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分。1969 年诞生的逆变电源可靠性高、稳定性好、调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电子和电气领域得到了极其广泛的应用。随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 40 页能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，对电源性能的要求越来越高。许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行交换，从而得到各自所需要的电能形式。在电力电子技术的应用及各种电源系统中，逆变电源技术均处于核心地位。近年来，现代逆变电源技术的发展主要表现出以下几种趋势:1.高频化理论分析和实践经验表明:电器产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频 50Hz 提高到 20khz，提高 400 倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的其主要材料可以节约 90%甚至更高，还可以节电 30%甚至更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态，原材料消耗显著降低、电源装置小型化、系统的动态反应加快，更可以深刻体现技术含量的价值。2.模块化模块化有两方面的含义，其一是功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元，两单元，六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也集成到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块(IPM )，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM)，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高了系统的可靠性。另外，大功率的开关电源，由于器件容量的限制和增加冗余、提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块电源并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其他模块再平均分担负载电力。这样，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为电源修复提供充分的时间。3.数字化现在数字式信号，数字电路越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 40 页出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高系统抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调、也便于自诊断，容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。4.绿色化随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色电源的呼声越来越高。绿色电源的含义有两层:首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能对电网产生污染。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。提高输入功率因数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环保和节能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。提高功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较先进的方法是:单相输入的采用有源功率因数校正技术，三相输入的采用 SPWM 高频整流提高功率因数。5.并机冗余技术当今对供电系统的要求趋势一个是高可靠性，一个是大功率化，这两者都与电源的并联运行控制密切相关。并联运行主要有以下三个好处:第一:可以用来灵活的扩大逆变电源系统的容量:第二，可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性;第三，具有极高的系统可维修性能，在逆变器出现故障时，可以很方便的进行热拔更换或维修。因为，这样的并联运行系统在各种应用领域得到了广泛的推广和应用。当前，并联控制方式一般分为集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无线独立控制四种方案 4。1.3 论文的主要内容随着现代科技的发展，对于通信系统、信号系统、电力监控系统、计费系统、计算机网络等一类高端用电设备日益增多，这类设备对供电电源的平稳性、波形等质量要求很高，本论文就是设计这样一种新型的智能逆变电源。第一章以概述的方式说明现代逆变电源技术发展以及现状；第二章对逆变电源的基本原理和结构进行比较详细的阐述；第三章对逆变电源的 PWM 的控制策略进行了介绍；第四章对设计出来的逆变电源各个部分以及控制系统的 Proteus 仿真；第五章主要内容是控制系统的软件设计。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 40 页2 逆变电源的基本原理和结构逆变电源的构成除了包括逆变电路和控制电路外，还要有输入、输出电路，辅助电路和保护电路，基本的结构框架和关系如下。图 2.1 逆变系统结构框图2.1 输入电路逆变电源主回路输入可以是直流电或者交流电。当输入是直流电时，一般来自直流电源、蓄电池、直流发电机等等。如果输入的直流电波动较大，可以增加电容滤波电路或者通过电压预调整电路或者稳压等。当输入是交流电时，除了在交流进线侧考虑 EMI 滤波处理外，还需要整流和滤波，以获得合适的直流电。总之，输入回路的输出是满足一定条件的直流电。2.2 输出回路输出回路将逆变器变换的交流电作出进一步处理，以得到谐波量小的交流输出。该部分电路一般由低通滤波电路组成，当输出侧有变压器时，也可以利用变压器的电感进行滤波。根据对逆变器输出地性能要求，逆变器输出有开环控制和闭环控制两类，当逆变系统是开环控制时，控制系统不对输出大小进行调节，因而不需要输出电路的反馈信号，这是其输出可能会随着负载或者输入电压的变化而变化。而闭环系统则需要输出电路的反馈量，根据其实际输出大小和给定之间的误差来实时调节，使其输出保持稳定。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 40 页2.3 控制电路控制电路的功能是按要求调解并产生一系列控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变的主电路完成逆变功能。逆变控制电路的形式多种多样，从大的方面分为模拟电路和数字电路。以下给出了控制系统的结构框图和某逆变器的数字控制电路基本框图。后者是：数字信号输入和模拟信号输入指各种反馈量，以及保护、检测量等信号，单片机检测到各种信号后根据预先设定的程序或控制策略进行计算，然后通过数模输出控制信号，经放大后控制高频电力电子电路来实现 DC-AC 变换，交流输出经变压器变换后即可得到所需的交流电。2.4 逆变电路这部分电路时逆变电源的主体部分，主要有各种开关器件组成，用来实现主要的DC-AC 变换。1、电压型逆变电路由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。只有单方向传递功率的功效。电能只能由直流侧经逆变电路输向负载而不能沿相反方向由负载反馈回电网 。故障电流较难克制。当逆变侧短路时，形成浪涌短路电流。2、电流型逆变电路 直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。电路中开关器件的作用仅是改变直流甩流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向 5。综合考虑以上因素和本设计的特点，在本设计中电压型逆变电路更方便简洁，符合本设计的需求。2.5 辅助和保护电路辅助电路包括控制系统所需的各种电源、显示等电路。辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。若是直流输入，则是一个或几个DC/DC 变换器:若是交流输入，则可以采用工频降压、整流、线性稳压的方式，当然也可以采用 DC/DC 变换器。保护电路主要包括:中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 40 页输入过压、欠压保护。因为是电网问题，一般是可以自恢复的。输出过压、欠压保护。一般是故障问题，最好是不可自恢复。过载保护。有时是瞬间过载，所以应是可自恢复的。过流和短路保护。属于故障，所以应该是不可自恢复的。过热保护。当环境温度过高或长时间超负荷运行，逆变器会出现过热自动保护，但冷却系统应继续工作，在温度降到一定值后，应能自动恢复工作 6。2.6 控制策略有了控制电路和逆变电路，还需合适的控制策略来实现具体的 DC-AC 转换。输入量送到逆变电路后变换为输出 ,为了保证逆变电路输出的稳定，降低输出的谐波含iUoU量，一般对逆变电路中开关管进行高频 PWM 控制，通过调整 PWM 波的占空比来进行调节输出的大小。控制电路根据实际输出量与给定参考量的误差进行调节，控制 PWM 发生器的占空比，并结合保护电路对逆变电路的开关管进行控制，使输出电压达到参考电压值。随着 PWM 工作频率的提高，逆变电路中的磁性元件体积会缩小，电路滤波电感和电容的参数也可以减少，因而逆变电路的功率密度会提高。在逆变电源控制系统中的 PWM 调制信号一般是由三角波载波和正弦调制波经比较器比较后产生的，称为SPWM 调制,其中正弦调制波的大小由参考电压 和输出反馈的误差信号经调节器运算refU后产生，驱动逆变电路的开关管工作在高频 PWM 状态。采用 PWM 控制技术的主要目的之一是为了解决逆变电源输出地谐波问题，高频 PWM控制不仅可以有效地减少输出电压的谐波含量，而且可以方便的调节输出电压的大小。而 PWM 产生的方法也是多种多样的，采用模拟方式来实现 PWM 控制具有电路简单的优点，但控制策略不容易更改，且存在诸如受参数影响大，调节比较困难和稳定性不好等缺点。采用单片机技术实现 PWM 控制则能有效的避免模拟电路的上述缺陷，比较突出的优点是：基于单片机控制的逆变电源在控制策略的选取、更改上有较大的自由度。通过采取适当饿控制策略，能不断提高该类逆变电源的性能，也大大延长了其生命力7,8。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 40 页3 逆变电源的控制方法逆变电源的设计的主要内容是逆变器的数字控制方法。随着各行各业的技术水平和操作性能的提高，它们对电源品质的要求也在不断提高。许多行业的用电设备都不是直接使用通用的交流电网提供的交流电作为供电能源，而是通过各种形式，对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。其中，逆变的方式被广泛应用于不间断电源，汽车电源，化工电源，医用电源等等领域之中，其幅值、频率、稳定性等也因用电设备的不同，而不尽相同。当前在计算机控制、航空航天、通信 电源系统等都要求提供高质量、低谐波的净化式逆变式正弦波交流系统。而逆变电源的负载可能具有不同的性质(线性或非线性)，当某一负载投入运行时，很可能引起逆变器的输出电压波形畸变，谐波增加，而给其它负载带来不良影响。如，谐波过大 会因谐波损耗，降低电动机效率，并引起电动机转矩的变化；而计算机和通讯设备等也会因供电电压突变造成瞬时掉电复位，而失控或丢失数据。因而采用合适的控制加以改善是十分有必要的 9。3.1 PWM 控制策略随着全控型开关器件的出现并广泛应用，PWM 技术就成为电力电子技术中十分重要的控制策略，PWM 的产生与实现方法也层出不穷。归纳起来，PWM 的实现方法大致可以分为：载波比较法、采样法、空间矢量法、谐波消除法等。由于采用了 PWM 控制策略，故可以方便的调节逆变电源的输出电压大小，且可以以有效地降低逆变电源的输出谐波含量。采样法常用语数字控制技术中，为了实现数字控制，必须将来内需变化的正弦波控制信号通过采样来离散化处理，使载波和控制波均处理成为数值量后再进行计算比中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 40 页较，产生 PWM 波。采样控制理论中有一条重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节输入时，其输出效果基本相同。这里所说的冲量是指窄脉冲的面积，俗称“伏秒积” ，效果基本相同是指输出响应的波形基本相同。把输出波形进行傅立叶变换分析，其低频段特性非常接近，仅在高频段有差异。这个理论是 PWM 控制的理论基础。把一个正弦半波分成 N 等份，采用规则采样法(常用的也有自然采样法等，但规则采样法更适用于数字控制，计算简便)，把每一等份的正弦曲线与横轴包围的面积用与它面积相等的等高不等宽的矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合。根据冲量相等效果相同的原理，这样的一系列矩形脉冲与正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM 波形。像这样脉冲的宽度按照正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，就是 SPWM 控制的理论基础。全桥逆变器的控制脉冲按 SPWM 调制方式，有单极性、双极性和单极性倍频调制三种。(l)双极性 SPWM 调制全桥逆变器采用双极性 PWM 控制方式时，见下图。载波为全波三角波。用正弦波与三角波进行比较，正弦波大于三角波的部分，输出为正脉冲，小于部分输出负脉冲。在开关切换时，负载端电压极性非正即负，电流变化率较大，对外部干扰较强。负载端电压脉冲列是由不同宽度调制的正负直流电压组成。图 3.1 双极性 SPEM 原理波形(2)单极性 SPWM 调制采用单极性控制时，在正弦波的半个周期内，其电压输出幅值为单极性，在开关状态切换时，负载端电压先变为零，负载电流在零电压卞自然续流衰减，在控制时间到中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 40 页时再恢复翰出直流电压，其半周期的脉冲列是由零和正(负)直流电压组成。该控制方式的特点是功率开关管承受的电压应力较小，电流变化率小，功耗也要小，因此对系统及外部设备千扰小。(3)单极性倍频 SPWM 调制图 3.2 正弦波单相全桥逆变电路图 3.3 逆变桥脉冲控制信号中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 40 页图 3.4 单极性倍频 SPWM 调制原理图单极性倍频 SPWM 调制原理分析如下:两路脉冲如图 3.4 的(A)(B)所示，占空比为:）（正 sinM12D1）（正 -34对 P 路调制波:当调制波电压高于载波电压时控制左桥臂上管导通，下管关闭，反之相反。同样，对 N 路调制波:当调制波电压高于载波电压时控制右桥臂上管导通，下管关闭。若以“1”来表示开关管导通， “0”表示关断，则:Q1Q2Q3Q4=1001，输出 SPWM 波 正半波abUQ1Q2Q3Q4=0110，输出 SPWM 波 负半波中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 40 页图 3.5 完整周期内 P 路、N 路调制波与载波图 3.6 单极性倍频 SPWM 调制脉冲占空比分析图根据三角形的相似性，在ACB ANM AOP 中，根据规则采样法的特点，对于 P 路正脉冲，在时间上，BC= /2，MN= ， 为采样周期，即三角载波的周期，d 是输出脉冲CT2CT宽度，D 是输出脉宽相对采样周期的占空比。由 ）（）（ CrCU/sinU2T/ 得到脉宽 ）（ i1r占空比 D 为 )sin1(2TCM，代表调制度。U/r中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 40 页以上是 O 内 P 路正脉冲的占空比，同样可得 O 内于 N 路正脉冲的脉宽为）（ sinU12TrC于是占空比 D 为 )sin1(2TCM对应于同一个载波周期，在 0 内，由图 3.4 的(C)容易知道，输出有效 SPWM 波 正半波-P 前正一 N 前负abU输出有效 SPWM 波 正半波-P 前正一 N 前负因为在每个调制波周期(如图 3.5)，P 正脉冲总对应于 N 正脉冲，而在前半周内，P 前正的脉冲宽度恒大于 N 前正的脉冲宽度。于是 P 前正脉冲跟与之相对应 N 前正脉冲首尾的 N 前负脉冲相差而得到有效 SPWM 波 正半波的两个脉冲，并且此相邻二脉冲宽abU度相等(规则采样的特点:每个脉冲在载波周期中点处两端等宽)。同理，容易得到输出有效 SPWM 波 负半波为 P 后负一 N 后正ab在一个调制波周期内，P 路调制波前半周(也即 N 路调制波前半周，P、N 正负两路正弦调制波严格反相)时间段内，两路正脉冲的占空比分别为: ）（正 sin M12DP）（正N且： sin)si1(2sin 12Nof MP ）（正正称 为有效占空比(即同一个载波周期内两个等宽的有效脉冲的占空比之和)。由上fD式可知，双重 SPWM 调制方式所得到的正弦脉冲与普通 SPWM 方式得到的正弦脉冲在效能上完全一样。从以上分析可以看到:此种单极性倍频 SPWM 调制方式得到的是由一对一对等宽脉冲组成，而脉冲的宽度是按正弦规律变化，在这样的 SPWM 脉冲的控制下，逆变器输出电压频率较普通单极性 SPWM 调制方式提高了一倍，为功率器件开关频率的两倍，单极性倍频 SPWM 调制有时也称为双重 SPWM 调制。单极性倍频 SPWM 调制方式与双极性 SPWM中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 40 页调制方式相比，它能够在开关频率不变的情况下，使一个周期内正弦波包含的矩形脉冲数“加倍” ，从而有利于减小逆变输出谐波。若选择载波比为偶数，则根据傅立叶分析最低次谐波将出现在载波频率(即开关频率 )2 的边带上。这是因为两个桥臂的CF输出电压(图 3.4) 和 的相位角相差 180 度;载波比 N 为偶数时， 和 在开关aU aU频率处的谐波分量相位相同，于是输出电压 在开关频率处的谐波可以互babU相抵消，开关频率处的边带随之消失。基于以上优点，本系统采用单极性倍频 SPWM 调制方式 10,11,14。3.2 SPWM 控制脉冲的实现方法以 SPWM 为控制方式构成的逆变器，其输入为恒定不变的直流电压，通过 SPWM 技术在逆变电路中同时实现调压和调频。因此，该控制方案可简化主回路和控制回路结构、提高系统响应速度。很适合蓄电池或太阳能电池等直流电源供电的高频链逆变器的控制。因此，综合考虑之后，本文所设计的数字化控制 DC 一 AC 正弦波电源可采用SPWM 控制策略。生成 SPWM 控制波形的方法主要有两类:一是采用模拟电路，二是采用微处理器由程序生成。（1）利用模拟电路生成 SPWM 脉冲图 3.7 由模拟电路生成 SPWM 控制脉冲电路原理图首先由模拟元件构成的三角波和正弦波产生电路分别产生三角载波信号 和正弦tU波参考信号 ，然后送入电压比较器，从而产生 SPWM 序列，这种利用模拟电路调制rU方式的优点是完成 与 信号的比较和确定脉冲所用的时间短，几乎是瞬间完成的。tr而且 与 的交点精确，是两列比较波的自然交点，未做过任何近似处理，然而，这tr中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 40 页种方法的缺点是所需硬件较多，且难以实现三角波与正弦波的同步，而且模拟元件尤其是运算放大器存在温度漂移等不稳定因素，使得系统调试麻烦，并且不易稳定 23,24。（2）利用软件编程方法生成 SPWM 控制脉冲在逆变器控制方法设计中，利用软件编程实现 SPWM 波的算法很多，通常使用较多的有自然采样法、规则采样法、低次谐波消去法等。自然采样法该方法与采用模拟电路由硬件自然确定 SPWM 脉冲宽度的方法类似，只是这里是采用计算的方法寻找三角载波与正弦参考波的交点时刻，从而确定 SPWM 脉冲宽度。自然采样法模式计算如图 3.8。只要通过对 与 的数学表达式联立求解，找出其交点对tUr应的时刻 ， 便可以确定相应 SPWM 波的脉冲宽度。虽然微处理器具有复杂运算0t16t功能，但进行计算需要一定的时间，而 SPWM 逆变器的输出需采用实时控制，其运算速度还满足不了联立求解方程的需要。实际采用的方法是先将参考正弦波的四分之一周期内各时刻的 和 值算好，以表格形式存储于存储器内，当控制需要计算某时刻的tUr和 时，不用实时计算而采用查表的方法很快得到。由于波形的对称性，只需要知tr道参考正弦波四分之一周期的 和 值即可，在一个周期内其它时刻的值可由对称关trU系求得。 和 波形的交点求法可采用数值逼近法，规定一个允许误差占，通过修改tUrti 值，当满足 时，则认为找到了 和 波形的交点。根据求得的 ，)(tirit trU0t， 便可确定 SPWM 的脉冲宽度。1t2中北大学 2013 届毕业设计说明书第 20 页 共 40 页图 3.8 自然采样法示意图采用自然采样法，虽然可以准确的确定 和 的交点，但是计算工作量很大，为tUr了简化计算工作量，便于在工程上使用，经常采用规则采样法。该方法的效果接近自然采样法，但是却大大简化了计算工作量。规则采样法采用三角波作为载波的规则采样法示意图如图 3.9图 3.9 规则采样法示意图按自然采样法求得的 和 的交点为 A和 B，每个脉冲的中点并不和三角波tUr中点重合，对应的 SPWM 脉宽为 t2，为了简化计算，采用近似的方法求 和 的交tUr点。规则采样法使脉冲中点和三角波中点重合，通过两个三角波峰之间中线与 的交r点 M 做水平线与三角波分别交于 A 和 B 点，由交点 A 和 B 确定的 SPWM 脉宽为 t2，t2和 t2的数值相近，两个脉冲之间相差了一个很小的t 时间。规则采样法就是利用和 的近似交点 A 和 B 代替实际的交点 A和 B，用以确定 SPWM 脉冲信号。这种tUr方法虽然有一定的误差，但此误差工程实践证明是可以忽略的。因此，SPWM 控制脉冲的实现算法就变为求解简单的三角方程，大大减小了计算量。由图 2 一 n 可得到规则采样法的计算公式。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 21 页 共 40 页设三角波和正弦波的幅值分别是 和 ，周期分别是 和 ，脉宽 和间隙时tmUr tTs2t间 和 由下式计算：1t3 )/2sin()2/ tTTst tmUr )t/2sin(1()4/)(t231 stt T由上式可以很容易求得 和 值，从而确定相应的脉冲宽度。2低次谐波消去法为了使 SPWM 波形中不包含次数较低的谐波分量，且不增加功率器件的开关频率，以减少开关损耗，出现了低次谐波消去法。低次谐波消去法用模拟电路很难做到，但用数字电路则可以很容易实现。低次谐波消去法就是适当安排开关管的开关角，在满足输出基波电压的条件下，消除不希望的谐波分量。假定单相桥式逆变器输出 SPWM 波形具有基波四分之一周期对称关系，将该 SPWM 电压脉冲序列展开成傅立叶级数，则级数中只含有奇次谐波分量，负载电压 可表示为各次谐波电压之和，即LU)(sinU1Lt NKK1d )cos()(24）（公式中 为 次谐波电压幅值， 为电压脉冲前沿或后沿与 坐标的交点，以电角 t度表示，N 是在 90。范围之内 的个数，通过 N 个联立方程求解它们的值，用得到的KN 个 角，就可以消除 N 一 1 种谐波。采用这种方法的时候，如果所需要消掉的谐波次数较高，则方程组的数量会很大，这个方程组将难以求解 12,13。上面对 PWM 控制技术的原理进行了分析，同时对能生成 SPWM 控制脉冲的各种方法进行了介绍。由微处理器以软件方式生成 SPWM 控制脉冲的方法具有抗干扰能力强、控制电路结构简单等优点，是一种比较理想的控制方案。本文在设计中，以单片机为主控芯片，采用了工程上常用的基于规则采样法和采样保持原理的 SPWM 波形生成原理，利用汇编语言编程序实现算法。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 22 页 共 40 页4 逆变电源仿真电路分析 4.1 Proteus 软件Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等，2010年又增加了 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持 IAR、Keil 和 Matlab 等多种编译器。 Proteus 软件具有其它 EDA 工具软件（例：Multisim）的功能。这些功能是：1原理布图2PCB 自动或人工布线3SPICE 电路仿真革命性的特点：1互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如 RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分 SPI 器件，部分 IIC 器件。2仿真处理器及其外围电路可以仿真 51 系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus 建立了完备的电子设计开发环境。丰富的器件库：超过 27000 种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的 BMP 图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT 等多种文档使用 15,17。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 23 页 共 40 页4.2 Proteus 仿真结果图 4.1 逆变电源仿真主电路图图 4.2 逆变电源仿真结果中北大学 2013 届毕业设计说明书第 24 页 共 40 页4.2.1 输入滤波、整流部分该部分电路图如下图所示。单相电源经 R13、滤波电容 C19、共模滤波电感和共模滤波电容 C10、C11 后，至整流桥，其中 R22 和 C19 组成差模滤波电路，而共模滤波电感和 C10、C11 构成共模滤波电路，输出地交流电经过 R22、C19、共模滤波电感、C10、C11 组成的、具有一定差模和共模抑制能力的 EMI 滤波器。而整流部分由整流桥和滤波电容 C12、C13 组成。而整流桥可将交流输入转换为直流电压，大电容 C12、C13对直流输出电压进行滤波即可获得比较平稳的直流电压，作为后级逆变电路的输入电压.图 4.3 逆变电路的输入滤波、整流部分4.2.2 电压和电流反馈测量部分电压测量功能用作电压分压，及测量滤波、整流部分电路所属出的直流电压。电流测量部分是采样电阻，由该电阻的压降来反映逆变电源主回路的电流大小。电压测量信号由 BH 端子给出，而电流测量信号（实际上是与电流成正比的一个输出电压）由端子 Y2 和 Y1 输出，这些测量信号输出到逆变电源的控制系统部分，为控制系统进行整个电路正常工作提供电压反馈信号。4.2.3 电路电源部分中北大学 2013 届毕业设计说明书第 25 页 共 40 页该部分电路如下图。电路包括电感、整流桥、滤波电容和稳压器件(7805)构成线性电源。这部分电路的作用给逆变电源的数字和模拟电路提供+15V 和+5V 的工作电压。图 4.4 逆变系统的电源部分电感的作用是将经 EMI 滤波后的交流信号隔离传送到整流桥，然后得到波动较大的直流电压，经过滤波电容 C8 稳压后得到较为稳定的+15V 直流电压;该+15V 直流电压经稳压芯片 7805 稳压，并经过滤波电容 C6 、C7 整形后得到稳定的+5V 直流电压。4.2.4 驱动电路驱动电路是根据控制系统的逻辑控制信号输出具有足够驱动能力的开关信号，使开关器件得到可靠的驱动信号而稳定工作。分立的电阻、电容和二极管都是集成器件IR2110 的辅助元件，采用 IR2110 作为驱动器件的原因还在于该芯片能实现自举式浮充驱动方式，即用一个电源就能可靠驱动同一桥臂上的两个开关器件。以下对 IR2110 以及其自举式浮充驱动的原理进行进行详细介绍。（1）IR2112 芯片介绍 IR2112 的特点：输出驱动隔离电压可达 500V；芯片自身的门输入驱动范围位 10-20V；输入端带施密特触发器；可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如 IGBT、功率 MOSF