逆变电源的设计开题报告

毕业设计（论文）材料之二（2）本科毕业设计（论文）开题报告题目：基于单片机的逆变电源设计课题类型: 设计口 学生姓名： 学 号： 专业班级：学 院： 指导教师: 开题时间: 一、 毕业设计（论文）内容及研究意义毕业设计论文内容设计一种基于AT89C51控制SA4828的逆变电源，它采用IGBT作为功率器件，IR2110作为IGBT的驱动芯片，并采用恒U/F的控制策略。毕业设计论文的研究意义可灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率通过控制回路，我们可以控制逆变电路的工作频率和输出时间的比例，从而使输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。可将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电，这样就不会因为交流电网停电或剧烈变化而影响工作。可明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料在很多用电设备中，变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量，如果我们将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器绕组匝数与有效面积之积就会明显减小，变压器的体积和重量明显地减小了。采用逆变技术的电源还具有高效节能的优越性，表现在如下几个方面：1） 在许多应用交流电动机的场合，在其负载变化时，传统的方法是调节电动机的通电时间所占比例，这样电动机就会频繁地制动、起动。而电动机的起动、制动消耗的能量往往很大，如使用变频电源来调节电动机做功的量，则可节约很大一部分能量。2） 采用逆变技术的电源，其变压器的体积和重量大大减小了，也即减小了铁心横面积和线圈匝数。变压器本身的损耗主要包括原、副边铜耗和铁芯损耗，铁芯横面积和线圈匝数的大幅度减小也就大大降低了铜耗和铁耗。因此，采用逆变技术大大提高变压器的工作频率，使得变压器的损耗变得比工频工作时小得多，从而达到节能的目的。3） 传统的、采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在0.5-0.8之间，这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大。在逆变电源中，如果用功率因数校正技术，能使输入电流的谐波成分变得很小，从而使功率因数约为1，节能的效果非常明显。动态响应快、控制性能好、电气性能指标好由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性好，表现为：对电网波动的适应能力强、负载效应好、启动冲击电流小、超调量小、恢复时间快、，输出稳定、纹波小。电源故障保护快由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号反应快，从而增加了系统的可靠性。另外，现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载要求，一个特定用途的电源，应当具有特定的负载性能要求和外特性，同时还应当具备安全可靠、高效、高功率因数、低噪音的特点，另外，无电磁干扰、无电网污染、省电节能也是我们应当认真考虑的设计要求。电源技术发展到今天，已融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学。二、 毕业设计（论文）研究现状和发展趋势逆变电源是一种采用电力电子技术是进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。逆变电源技术是一门综合性的争业技术，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。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域…。逆变电源是一种交流输出电源，按照输出电压的相数分类，逆变电源可分为单相逆变电源和三相逆变电源，三相逆变电源按照输出有无中线义可分三相三线制逆变电源和三相四线制逆变电源，按照逆变电源的额定输出功率来分类，逆变电源可分为小容量逆变电源（0.5-10KVA），中等容量逆变电源（10-50KVA），大容量逆变电源（50KVA以上）。图1所示为典型的交流输入、输出隔离型逆变电源主电路的基本构成，从图中可以看出逆变电源的能量转换过程是：输入的工频交流电经过整流电路成为直流电，直流电通过逆变电路变为交流信号SPWM波，其基波频率是逆变电源的输出频率，该信号经输出变压器隔离。再由LC滤波器滤成正弦波。这一能量转换、传递的过程通常表示为AC-DC-AC。直流输入、输出隔离型的逆变电源结构和图一基本相同，只是不再需要输入端的整流电路，能量转换传递的过程可表示为DC—AC。在逆变电源中，逆变器及其控制是逆变电源的核心。整地辨 剿E嚣 L（他波圈朗1典型的遂变电源主电踏逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展，逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，到日前为止，它已经历了三个发展阶段。第一代逆变电源是采用品闸管（SCR）作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转刑变流机组，但由于SCR是一种没有自关断能力的器件，因此必须增加换流电路来强迫关断SCR，但换流电路复杂、噪声大、体积大、效率低等原因却限制了逆变电源的进一步发展。第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变电源的开关器件，自20世纪70年代后期，各种自关断器件相运而生，它们包括可关断晶闸管（GTO），电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）。绝缘栅双极型品体管（IGBT）等。自关断器件在逆变器巾的应用大大提高了逆变电源的性能，逆变电源采用自关断的好处是：①简化了主电路。由于自关断器件不需要换流电路，因而主电路得以简化、成本降低、可靠性提高；②提高了性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而使逆变桥输出电压中低次谐波含量大大降低，因而使输出滤波器的尺寸得以减小，逆变电源的动态特性及对非线性负载的适应性也得以提高。在自关断器件当中，IGBT以其开关频率高，通态压降小，驱动功率小、模块的电压电流等级高等优点已成为中小功率逆变器的首选器件。逆变电源已成为中小型逆变电源的主流。第二代逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的SPWM控制技术。图2是第二代逆变电源典型控制方法示意图，输出电压有效值或平均值反馈控制使逆变电源输出电压幅值稳念无差。第二代逆变电源所采用的控制方法具有结构简单、容易实现的优点，但由于它所采用的SPWM控制技术只注重如何通过恰当设汁开关模式来实现逆变器输出频潜的优化，没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，所以存在以下缺点：①对非线性负载的适应性不强。当逆变电源输出带非线性负载时，负载电流中的低次谐波电流将流过电源的内阻。引起输出电压波形畸变；②死区时间的存在将使SPWM波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压波形发生畸变；③动态特性小好。负载突变时输出电压调整时间长。之所以出现这种情况，是因为系统中仅存在电压平均值或有效值反馈，而没有瞬时值反馈；④给定电压与输出电压之间的相位差受负载影响较大。在三相电源巾，三相输出之间的相差不易满足120度要求。第三代逆变电源采用了实时反馈控制技术，使逆变电源的性能得到提高。实时反馈控制技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动态特性不好的缺点提出来的，它是近十年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实时反馈控制技术多种多样，主要有以下几种；①重复控制；②谐波补偿控制；③无差拍控制；④单一的电压瞬时值控制；⑤带电流内环的电压瞬时值反馈控制。其中以第五种控制方法因实现方便，逆变电源动态性能优越和对负载的适应性强等优点而被广泛采用。囹2单一的电压有兹值反愦控制方法示意图早些时候人们一直用旋转型变流机组产生交流电，旋转型变流机组它是由同轴联接的原动机和发电机组成的，其中原动机可以是油机，也可以是电动机输出交流电压是发电机发出的。但旋转型变流机组存在噪声大、输出电压的动态特性差、机械损耗和电能损耗较大、效率较低，设备庞大笨重，操作不够灵活等诸多弊病，浴室人们一直寻求新型交流电源产生装置，逆变电源也是一种产生交流电的装置，它具有以下优点：①变频，逆变电源将市电转化为用户所需的交流电；②变相，逆变电源能将单相交流电转化为三相交流电；③逆变电源能将直流电转化为交流电。目前逆变电源的核心部分就是逆变器和其控制部分，虽然在控制方法上已经趋于成熟，但是其控制方法实现起来还是有所困难。因此，对逆变电源的控制和逆变器进行深入研究具有很大的现实意义。三、毕业设计（论文）研究方案及工作计划目前，逆变电源大多采用正弦波脉宽调制，即所谓的SPWM技术。其控制电路大多采用模拟方法实现，模拟控制型全桥电路，技术虽然已经非常成熟，但其存在很多固有的缺点：控制电路的元器件比较多，电路复杂，体积较大，灵活性不够等。电源的发展所以逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研展.功率电子器件的大功率究的一个热点。本论文主要目的是设计一种全数字化三相PWM逆变电源。三相SPWM发生器是逆变电源的核心部分，它的性能好坏直接关系到整个逆变电源的工作状况。鉴于以80C196MC或TMS320LF240为核心组成的控制电路，能实现电源的全数字化控制，但系统较复杂，软件工作量大，研制周期长。本设计中，我选用了AT89C51控制MITEL公司的SA4828芯片作为波形发生器。图1系统图市电输入经输入保护电路滤除噪声后，进行整流、滤波变成直流电压，然后这个直流电压输入到桥式逆变电路。PWM发生器在单片机的控制下，通过驱动电路对输出脉冲进行调制就可改变输出电压和频率，再经过变压器隔离后供给负载。主电路中根据磁路集成原理，将变压器和滤波电感集成为一个磁性元件，再在变压器的次级并以适当的电容，组成滤波网络以获得正弦波形输出。整个电路分为五大部分：整流滤波、全桥逆变电路、驱动电路以及将单片机控制PWM产生器的控制电路和保护电路。另外在输入和输出端还有输入滤波和输出滤波电路。毕业设计论文工作进度安排序号周次工作内容1第3周了解设计的工作原理，查找相关资料，提交开题报告2第4-5周确定总体方案，完成器件选型，绘制总体硬件原理草图3第6-8周认真阅读相关器件手册，了解各个器件的原理和使用4第9-10周认真的计算硬件器件的选择，就行排错等工作5第11-14周进行系统调试观察结果6第15-17周提交最终成品，编写打印论文，模拟答辩，准备毕业答辩主要参考文献【1】陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用.北京：机械工业出版社，2003.11【2】刘凤君，现代逆变技术及应用.北京：电子工业出版社，2006.9【3】曲学基，王增福，曲敬铠，逆变技术基础与应用.北京：电子工业出版社，2007.1【4】陈晶晶陈敏姚玮钱照明《电力电子技术》2007年第12期无线并联逆变器的输出阻抗设计【5】谷宇张东来秦海亮《电力电子技术》2007年第12期一种用于高压差系统的数字化逆变器设计【6】高志刚李建林赵斌许洪华《中国电机工程学报》2007年第33期基于简化决策树的空间矢量逆变技术研究【7】王晓寰张纯江顾和荣刘学才《电工技术学报》2007年第10期现场总线控制的单相逆变电源并联系统【8】王福顺孙小华王希望李伟英王军皓《微计算机信息》2007年第34期基于89C51&SA4828的SPWM三木目逆变电源设计【9】JINGWei-liang,HUYue-li,CAOJia-lin.“Designof16MBAddressingSpacesinanMCUBasedontheMCS-51Structure,”The7thIEEECPMTConferenceonHighDensityMicrosystemDesignandPackagingandComponentFailureAnalysis(HDP’05),Shanghai,China,June30-July3,(2005),pp.509-512.【10】Peterchev,A.V,JinwenXiao;Sanders,S.R,“ArchitectureandICimplementationofadigitalVRMcontroller,”PowerElectronics,IEEETransactionsonVolume18,Issue1,Part2,Jan.2003Page(s):356-364.【11】Smith,K.M.,Jr.;Lai,Z.;Smedley,K.M.;“AnewPWMcontrollerwithone-cycleresponse,”PowerElectronics,IEEETransactionsonVolume14,Issue1,Jan.1999Page(s):142-150DesignofPWMControllerinaMCS-51CompatibleMCUAbstractThispaperpresentsadesignofPulse-WidthModulated(PWM)controllermoduleinaMCUbasedonMCS-51structure.Thedesigncangenerate2-channelProgrammableperiodicPWMsignals.TheseoutputPWMsignalsfromMCUcanbeusedforavarietyofapplicationsincludingmotorcontrol.Thefunctionofthedesignallowsuserstoselectindependentorcomplementaryinversiontimingrelationshipsbetween2PWMwaveforms.ThelattermodeselectionalsoincludesoptionaldeadtimefunctiontosupportdrivingH-bridgesandinverters.Therefore,userscancontroltheoutputPWMsignalsthroughsettingtheduty-cycleregisters.Afterthesuccessfulsimulationatthefrontend,practicalexperimentsmadeonaNIOSdevelopmentboardverifythedesign.IntroductionPWMtechnologyisakindofvoltageregulationmethodbycontrollingtheswitchfrequencyofDCpowerwithfixedvoltagetomodifythetwo-endvoltageofload.Thistechnologycanbeusedforavarietyofapplicationsincludingmotorcontrol,temperaturecontrolandpressurecontrolandsoon.InthemotorcontrolsystemshownasFig.1,throughadjustingthedutycycleofpowerswitch,thespeedofmotorcanbecontrolled.AsshowninFig.2,underthecontrolofPWMsignal,theaverageofvoltagethatcontrolsthespeedofmotorchangeswithDuty-cycle(D=t1/TinthisFigure),thusthemotorspeedcanbeincreasedwhenmotorpowerturnon,decreasedwhenpowerturnoff.rig.lPU/XIccutrolblockrig.lPU/XIccutrolblock一L2， «4|va — ^_4 VKvcraip _ViTiiiiFig.2:TlieRelaiioiishipbetweenVoltageofAnnaruieandDuty-cycleTherefore,themotorspeedcanbecontrolledwithregularlyadjustingthetimeofturn-onandturn-off.Therearethreemethodscouldachievetheadjustmentofdutycycle:(1)Adjustfrequencywithfixedpulse-width.(2)Adjustbothfrequencyandpulse-width.(3)Adjustpulse-widthwithfixedfrequency.Generally,therearefourmethodstogeneratethePWMsignalsasthefollowing:(1)Generatedbythedevicecomposedofseparatelogiccomponents.Thismethodistheoriginalmethodwhichnowhasbeendiscarded.(2)Generatedbysoftware.ThismethodneedCPUtocontinuouslyoperateinstructionstocontrolI/OpinsforgeneratingPWMoutputsignals,sothatCPUcannotdoanythingother.Therefore,themethodalsohasbeendiscardedgradually.(3)GeneratedbyASIC.TheASICmakesadecreaseofCPUburdenandsteadyworkgenerallyhasseveralfunctionssuchasover-currentprotection,dead-timeadjustmentandsoon.Thenthemethodhasbeenwidelyusedinmanykindsofoccasionnow.(4)GeneratedbyPWMfunctionmoduleofMCU.ThroughembeddingPWMfunctionmoduleinMCUandinitializingthefunction,PWMpinsofMCUcanalsoautomaticallygeneratePWMoutsignalswithoutCPUcontrollingonlywhenneedtochangeduty-cycle.Itisthemethodthatwillbeimplementedinthispaper.Inthispaper,weproposeaPWMmoduleembeddedina8051microcontroller.ThePWMmodulecansupportPWMpulsesignalsbyinitializingthecontrolregisterandduty-cycleregisterwiththreemethodsjustmentionedabovetoadjustthedutycycleandseveraloperationmodestoaddflexibilityforuser.ThefollowingsectionexplainsthearchitectureofthePWMmoduleandthearchitecturesofbasicfunctionalblocks.Section3describestwooperationmodes.Experimentalandsimulationresultsverifyingpropersystemoperationarealsoshowninthatsection.Dependingonmodeofoperation,thePWMmodulecreatesoneormorepulse-widthmodulatedsignals,whosedutyratioscanbeindependentlyadjusted.ImplementationofPWMmoduleinMCUOverviewofthePWMmoduleAblockdiagramofPWMmoduleisshowninFig.3.Itisclearlyfromthediagramthatthewholemoduleiscomposedoftwosections:PWMsignalgeneratoranddead-timegeneratorwithchannelselectlogic.ThePWMfunctioncanbestartedbytheuserthroughimplementingsomeinstructionsforinitializingthePWMmodule.Inparticular,thefollowing

powerandmotioncontrolapplicationsaresupported:DCMotorCluckEderPiVM!GariQ-alDfUninterruptablelPowerSupply(UPS)CluckEderPiVM!GariQ-alDfFWWlFiVMH―>PvSkHW机O&od-lirra

G财*mrFWWlFiVMH―>PvSkHW机hale-: d 若miim■响tnotsJ-k:wn-Eprclarity.F：ig.3AiclutectureofPWMModuleThePWMmodulealsohasthefollowingfeatures:TwoPWMsignaloutputswithcomplementaryorindependentoperationHardwaredead-timegeneratorsforcomplementarymodeDutycycleupdatesareconfigurabletobeimmediatedorsynchronizedtothePWM2.2DetailsofthearchitecturePMWgeneratorThearchitectureofthe2-outputPWMgeneratorshowninFig.3isbasedona16-bitresolutioncounterwhichcreatesapulse-widthmodulatedsignal.Thesystemissynthesizedbyasystemclocksignalwhosefrequencycanbedividedby4timesor12timesthroughsettingthevalueofT3MforPWM0orT4MforPWM1inthespecialregisterPWMCONasshowninFig.4.ToPWM0generator,theclockto16-bitcounterwillbepre-dividedby4timesbydefaultwhenT3Missettozero.Andtheclockwillbedividedby12timeswhenT3Missetto1.ThisisalsotrueforPWM1.TheotherbitsinPWMCONareexplainedindetailinTable1.TF4TP4TF3TR3PSEI.CPWMT4MT3MFig4BitMappingofPWMCONTable1:TheBitDefiuiTLODinPWMCONBETPescnptioDTF4IhteiiuplXeqiiestforFAVMQTR4R.UNbitforP™0TF3IhteiiuplRequestforTR3JtUNbitforP™iPSELChimoelSelectinConoplemeutm-CPWMModeSelect14MCbcLPieacalerforPWM1T3MClockFiescalerforPWMOChannel-selectlogicThefollowFig.5showsthechannel-selectlogicwhichisusefulinComplementaryMode.Fromthisdiagram,itiscleartoknowthatsignalCPandCPWMcontrolthesourceofPWMHandPWML.Andthedetailsaboutthetwocontrolsignalswillbediscussedinthesection3,andthearchitectureofdead-timegeneratorwillalsobediscussedinsection3.1forthecontinuityofComplementaryMode.PWMOPWMIPWMOPWMIFig.5DiagramofChatmel-selectLogicOperationModeandSimulationResultsThedesignhastwooperationmodes:IndependentModeandComplimentaryMode.BysettingthecorrespondingbitCPWMinregisterPWMCONshowninFig.4,usercanselectoneofthetwooperationmodes.WhenCPWMissettozero,PWMmodulewillworkinIndependentMode,whereas,PWMmodulewillworkinComplimentaryMode.Inthefollowingofthissection,thetwooperationmodewillbeexplainedrespectivelyindetailandthesimulationresultsofthePWMmodulefromtheSynoposysVCSEDAplatformwhichverifythedesignwillalsobeshown.3.1IndependentPWMOutputModeAnIndependentPWMOutputmodeisusefulfordrivingloadssuchastheoneshowninFigure1.AparticularPWMoutputisintheIndependentOutputmodewhenthecorrespondingCPbitinthePWMCONregisterissettozero.Inthiscase,two-channelPWMoutputsareindependentofeachother.ThesignalonpinPWM0/PWMHisfromPWM0generator,andthesignalonpinPWM1/PWMLisfromPWM0generator.Theseparatecaseisachievedbythechannel-selectlogicshowninFig.6.ThePWMI/Opinsaresettoindependentmodebydefaultuponadvicereset.Thedead-timegeneratorisdisabledintheIndependentmode.ThesimulationresultisshowninFigure4asthefollowingFig.5.Tr4andtr3arerunbitstoPWM0andPWM1,respectively.Actually,fromthisdiagram,PinP1[5]/P1[4]ofMCUisusedforPWMH/PWMLornormalI/O,alternatively.基于MCS-51单片机兼容的PWM控制器的设计摘要本文介绍了一种基于MCS-51单片机的脉宽调制在单片机中的应用的设计。该设计可产生两个通道定期的PWM信号，而这些来自单片机中的输出PWM信号可用于很多场合，包括在电机控制中的应用。该设计的目的就是允许用户可以在两道PWM波形之间选择独立的一个通道，或者两个。后者的模式选择还有通过H桥和逆变器死区的功能。因此，用户可根据寄存器的占空比来控制输出的PWM信号。在前面成功的模拟之后，在Nios开发板上的实地实验论证了设计。1.简介PWM是一种用过改变固定的直流电源开关频率来改变负载两端电压的技术。包括电机控制，温度控制和压力控制等等。在电机控制系统中如图1所示，可以通过调整电源开关的占空比，电机转速来控制。如图2所示。在PWM信号的控制下，平均电压和占空比控制速度的变化（D=t1图T中），因此，当电机功率变大，电机转速提高，关闭电源，电机降速。图1：PWM控制框图_\,raverage_yiniri图2：电枢电压和占空比之间的关系因此电机的转速可以由定时调整开关的状态来控制，有三种方式可以实现占空比的调整：（1）调整固定脉冲宽度的频率。（2）同时调整频率和脉冲宽度。（3）调整固定频率脉冲宽度。一般来说，有四种方法来产生PWM信号，如下：1由独立的逻辑元件组成的设备产生，这种方法因为太原始已经被丢弃了。2由软件生成。这种方法需要CPU不断地发出指令去控制发出PWM的输入输出信号，因此CPU不能参与其它活动。所以这种方法也逐渐被淘汰。3由集成电路产生。专用集成电路降低了CPU的负担，并且保持稳定，一般具有许多功能。如过电流保护，死区调整等。因此这种方法被广发运用于很多场合。4单片机的PWM模块产生。通过嵌入单片机的PWM功能模块和初始化。只有在需要改变占空比的时候，单片机的PWM引脚会自动的产生PW