《基于PWM控制的三相逆变器设计》9400字（论文）

基于PWM控制的三相逆变器设计摘要在当今新型21世纪的社会经济发展过程中，因为丰富的能源消耗所有就有了环境污染问题。以不能更新可能的能量减退，人民逐渐注意到更多新的能量的发展和运用。逆变器技术的研究为新能源的开发提供了重要的技术手段，相应研究具有重要的应用价值。本次设计以基于PWM控制的三相逆变器为题，采用STM320F103单片机作为主控制器，系统输入为400V直流电，三相全桥拓扑结这一技术运用于三相逆变电路。主要通过STM32单片集成电路采用主控制控制器输出到IR2104驱动电路，同时还通过电路链控制桥的三相反转电路将400V的直流电变换为交流进行输出，同时对输出的电压电流进行采样，然后将相关参数通过OLED12864液晶进行显示。在此除了完成对SPWM技术，三相逆变电路的设计外，还通过MATLAB仿真软件搭建模型，在软件内进行设计，达到设计要求，设计出PWM控制的三相逆变器。关键词:三相逆变，MATLAB，单片机，SPWM目录6216摘要 绪论1.1课题研究背景及意义现如今我国国内生产总值不断上升，在工业生产活动中，设备自动化水平不断提高。在不同领域范围内，用电设备工作电能不同，主要是通过过电阻功率的转换得到对应的电能使用需求。但是用电设备种类众多、每个对应的工作频率、电能要求、电流的变化形式都存在不同。尤其是在光伏发电、车载逆变器、变速调频、电源设计等领域，无法通过直接使用交流电网作为系统开发工程中主要的电源。需要通过将电源的电流进行转化之后才能够获取对应的合适的电能形式。而这一过程主要是通过过整流逆变的形式对初始电能进行转化才可以实现。逆变器会输出特别高的波形在平时的工作中，更重要的是在工作中能够有稳定的动态性能，这个有点特别适合负载操作在不同的工作环境下。科研人员在针对逆变电源的研究过程中，不断朝向结构简单、负载能力强、单动静态性能优越的方向发展。随着电子技术的日益发展，用电设备对于逆变器的控制要求逐步提高，因此逆变器技术的应用范围也逐渐拓宽。针对逆变电源的设计要求逐步提高，不仅需要向电路负载中输入高质量的交流电，同时需要减小电源体积与重量，提高产品应用的便捷性与可实现性。电网的干扰可以通过向整流滤波电路输入交流电流来消除，还可以防止特别高频率的噪声被开关电源产生的扩散到电网。这个方法可以产生小纹波的直流电压。电源开关和高频变压器构成开关电源开关的基本控制模块。该开关的功能是将直流电压转换为高频交流电，并用高频变压器将其转换为电路所需的网络电压。PWM控制电路产生脉冲信号，其工作时间由反馈电路控制。对高压输出进行滤波，可在输出电压下输出直流电压，并在输出电压下去除高频冲击。1.2逆变器的发展现状为了满足交流电源变成直流电源这种需求，所以我们要依靠逆变器。按我们平时了解到的逆变器可以分为单相，三相，多相这三种逆变器。这是由于它输出的电压相数不一样。在2021年的今天，人们对用电的需求越来越大了，不同负载的情况下供电要求没有办法被实现。电压和频率会出现各种各样的波动无法被进行控制所以会对电网进行干扰。电能的质量需要被提高才能保证各种大型供电场所和大型用电场所用电，这样才能保证工作的平稳进行。在我学过的知识中，变频技术可以有效的解决这个问题，它会把电能进行转换，而被他转换的机械能会被人们所需要。在我学过的电力电子技术这一本书中，逆变电源结合这些东西，解决了这些问题，它有着高性能化，模块化，智能化的优点，并逐渐向更好的方向发展。在中国很早之前就已经开始研究这种工作，就是把直流电变成交流电并取得了特别优秀的研究成果。工频变压器开关电源被我国研制出来了，这是中国第一台变压器。因为这台变压器大大方便了用电变换，所以变压器一被发明出来就得到了大家的赞美和使用并得到了大力的宣传和推广。在这一成果上，不久的一段时间，中国再次突破技术，在科学家的不断努力下，高压开关电源被研究出来了。直到现代化的今天，开关电源仍在工业生产中已经成为电子产业和信息产业最重要的供电方式，并且随着人们生活水平和需求的提高，开关电源技术不断的完善和发展，开关电源的输出频率，效率和可靠性逐渐提高。随着科学教对开关电源的研究和发现过程中，正弦逆变器正是因为晶闸管的重要作用。它才得到更好的发展，晶闸管起到了重要的作用。随着时间的发展，科技水平都得到了很好的发展，晶闸管GTO及绝缘性双极型晶体管IBJT为逆变技术提供了很好的技术，突破了当时有的水平。到了八十年代那个时期，功率器件让逆变器工作上的容量扩大了，为当时的技术做出了贡献。从2000年以来，矢量控制、多电平变换、模糊控制等技术因为微电子技术让逆变技术变得越来越成熟。从我上边说的发展历程来看，逆变技术的高频、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化技术越来越满足人们的需求。我相信在未来不久后，逆变技术会更加低成本高效率，电网的工作会越来越稳定。。1.3本文主要内容本次基于PWM控制的三相逆变器设计，主要结合单片机技术，SWPM技术等来设计整个系统,本文在完成相关图纸的设计和程序的编写上，进行了仿真的制作。这篇文章被分成了五部分，第一部分主要是写基于PWM控制的三相逆变器设计的分析和历史发展。第二部分则对整个系统的功能进行设计，同时对主要核心器件进行选型，通过选型后最终形成设计方案，并就设计方案进行分析。第三部分是基于PWM控制的三相逆变器模块设计，包括单片机,三相全桥逆变电路等等。第四部分主要是系统设计的软件部分，介绍主要的DC/AC程序，模数转换程序等各个程序的编写。第五部分则是系统的仿真测试，详细论述了MATLAB仿真平台及其三相逆变器的仿真测试效果。2系统方案设计2.1总体设计在这篇论文基于PWM控制的三相逆变器设计中，它的三相逆变器的设计，在参数上设计是下边的三个方面：(1)输入为400V的直流电。(2)输出为220V和50HZ的交流电。(3)通过程序编写，单片机产生SPWM波来控制全桥逆变电路。以达到基于PWM控制的三相逆变器设计。这个三相逆变器的系统中它的主控制器是由STM320F103单片机控制的，系统输入为400V直流电，三相直流变交流逆变电路采用三相全桥拓扑结。它是主控制器输出是STM32单片机，它把SPWM波输出到到IR2104驱动电路，然后驱动电路就可以控制这个三相全桥逆变电图，将400V的直流电变换为交流进行输出，同时对输出的电压电流进行采样，然后将相关参数通过OLED12864液晶进行显示，逆变器整体整体框图如下图1所示。直流输入直流输入三相全桥逆变电路负载驱动电路电压电流检测显示模块STM32主控制器图1逆变器整体框图2.2主控制器方案设计方案一：选择FPGA来作主控制器，FPGA即可编程逻辑器件。与其他类型的MCU相比较，其运行的方式是并行的，即编写的程序是并行运算的，而不是单条语句依次运行，FPGA之所以应用于对速度要求高的场合是因为它有非常高的运算效率。在型号选择方面，目前主流的是Altera和Xinlinx两家公司，这两家公司占了全球90%以上的FPGA市场，其针对各自的产品，也开发了相应的开发平台。在编程方面它的使用不怎么复杂，但是在小数或者除法等运算时会非常复杂，因为其本质上是硬件电路，所以不能像C语言一样可以直接使用小数或者除法之类，甚至于乘法也不能直接使用，往往需要考虑很多因素，所以对基础知识要求非常高。在硬件上面，其供电通常是需要3.3V和1.8V两种以上的供电，3.3V给IO引脚，1.8V则给内核，对于一些性能好的，则需要三种以上的供电，因此设计较为复杂，所以适合于需要复杂，速度要求高，成本不敏感的场合。方案二：选择STC89单片机，该系列的单片机有四组IO口引脚，可以通过编程的方式对每个IO口进行控制。其为8位的总线，采用了MCS-51的指令集，因此在程序编写上与其类似。同时为了方便使用，该单片机还集成了FLASH等存储器资源，这样用户可以不用另外配置额外的存储器，方便使用。其支持多种开发平台，如Keil，IAR等等，支持在线调试，可以方便的对其内部寄存器数据进行监控。而且其开发语言也是常用的C语言，方便上手，其下载方式也支持多种方式，如ISP下载，串口下载，或者专用下载器下载等等都可以，并且还提供加密技术，方便用户保护知识产权。同时其成本非常低，性能也可靠，已经在市场上大量的低端产品进行使用，具有很高的市场经济价值。方案三：ST公司生产的STM32单片机，运算速度非常快是因为32位MCU，最高可以达到72MHZ，并且其内核采用的是ARM，具有非常强的优势。CUBEMX工具也是ST公司除了为其开发配套的库函数外设计的，用户使用该工具可以通过图形化的方式对I/O口，定时器，ADC模数转换器以及其他功能进行设置，完成初始化的程序自动生成，节约用户大量时间，也降低了编程难度，同时具有丰富的例子程序，方便用户进行学习和进一步扩展。通过分析，方案一性能最好，但是价格最高，方案二最简单，成本最低，但是性能差；方案三性能优。因此在此选择方案三。2.3SPWM波产生原理在直流到交流的改变中，首先要完成开关变换在功率管中，就可以输出交流电。针对交流的输出形状，其可以是正弦波，三角波，也可以是其他一些非规则性波形，而其中，决定其输出类型的就是MOS管的控制技术。在现实生活中，由于电网采用的是50HZ的纯正弦波，因此各类仪器设备都是按照这个标准进行设计的，所以逆变器最常用的输出，也是50HZ的正弦波。并且，正弦波相比与矩形波，它的输出电压变化有点缓慢，因此设备在工作时电流突变的不会太大，有利于设备工作。如果要产生正弦波，就不得不提到SPWM控制技术，如下图所示，是SPWM波产生的基本原理，首先以一个标准的正弦波为基准，将其按照A到N平均划分成14个宽度相等的等份，通过图可以看到，虽然宽度相等，但是其与正弦波相交的面积却不一样，而这就是SPWM技术所需要的，通过面积等效法，可以得到一组T1-T14的PWM波，这14个PWM波的占空比并不一致，但是这个却组成了SPWM波。在控制时，控制器通过产生SPWM波来控制MOS管的开关，然后通过逆变的硬件电路输出，就可以将SPWM波还原输出，再通过LC或者LCL滤波电路，就可以将逆变输出滤波成纯正弦波波形输出。单极和双极两种模式是SPWM控制上所分为的两种模式，在单极性处理的过程中，一定要对开关管进行连接使得正弦波比三角波的位置高，相反当开关管闭合时，任意周期内在对整个的电路进行设计的过程中，单组两个管子中一定要有一个是开通的，两个管子不能在同一桥臂进行接通。因此需要加入死区时间，以防止误导通。对于SPWM波生成的双极性调制方法，其本质上与单极性类似，它的电压在控制MOS管开通和关断时是不一样的，通常是相电压。虽然说通过SPWM逆变可以产生相应的正弦波，但其具体精度需要靠SPWM的细分来决定，因此可以通过提高其载波比等途径来相应的提高其正弦化的能力。因此，也可以加入相应的LC滤波电路，使其输出更加平滑。但是在设计过程中，由于开关管的特性不一样，其可接受的开关频率也不一样，对于IGBT来说，其可接受的频率通常在20KZ以下，否则其开关损耗会变得非常大，因此实际设计中要综合进行考虑。3硬件电路的设计3.1三相逆变主电路图2三相逆变主电路如上图2是设计的三相逆变电路。在这个电路中用了IGBT模块作为整个电路的开关选择，这是因为IGBT在导通时有很低的导通电阻，而且还有很快的运行速度，更重要的是它可以低饱和压降。这是因为这三个有点选择IGBT模块特别合适。IGBT还有一个显著优点就是可以让开关速度得到有效的调整，可以让电路的运行状态可以有效的保持住。另外一方面，采样方式和分流是非常适合电流传感器的设计上，因为它可以可以让流通电阻上的电流和开关上的电流一起增高和降低。在三相桥臂的设计中,主要是为了给出驱动电路,二极管与输入和送出电路。IPM可以保护内置模块这是它的最具有及特色的优点。在单电源电路的运行中,如果一个电路出现了故障,电路就会有相应的电路进行保护电路开关为了不防止烧坏就会自己关断,DSP就有可能对这个故障做彻底处理,单一的电源输入信号也还有特别重要的功能和作用,它可以有效地避免对信号源的干扰因为单一电源输出的电压进行实时监测而控制其所运行的电路。这样就能够有效地使电流短路,欠压等这种情况的发生。三相逆变电路导通顺序是VT1到VT6，它的上下管子不能同时导通，当V1和V6和V4导通时，电流从U相进入，W和V相输出，相对的当V3导通时，电流则从V点输入，W和U点输出，以此往复形成三相逆变电路的输出波形。3.2滤波电路虽然SPWM波可以使得逆变电路输出类似的正弦波，但是其导通和关断的输入均为直流电压波形，因此如果要得到纯正弦波，必须在电路中加入LC滤波电路。整个LC滤波电容主要由功率电感和X电容来构成，在进行选型时，不仅要注意其规格大小，还要注意其耐压，寿命等诸多因素。图3LC滤波电路本次论文所采用的是图3LC滤波电路，由一个电感L和一电容C所组成。其电感与电容关系的计算如下：因此将其代入以下公式：系数取值ρ=39，截止频率为100HZ的滤波器,就可以计算出相应滤波电感和电容大小：根据LC滤波的原理，其通常有高通，带通等多种形式，为了要输出50HZ的交流波形，就要设计出一个低通滤波电路。因为SPWM会输出是一个高频率的波形，所以要过滤掉高频率。所以在此选择电感的值为60mh的电感，采用非晶，电容为41Uf的X电容。3.3驱动电路除了上边说的以外，还要搭建一个驱动电路。因为在整个设计系统中单片机不能直接驱动让系统功率管直接工作。为了让控制器和驱动电路正常连接和工作，就要把它们隔离开来，于是就用隔离他们的驱动这样的办法让他们正常工作。为了让这个驱动电路正常运行，就要选择IR21041芯片，因为这个芯片有很低的成本，很小的体积，更重要的是有更好的运行速度。另外一方面，这个芯片有很高的抗干扰能力，在电路运行的过程中，它输入通道的低端和高端是两个独立存在的，它就能更好的让电压更大范围的工作。图4就是驱动电路。图4驱动电路3.4单片机控制电路在此次设计中，选择STM32F103单片机，该型号的单片机内部集成了ARM32位的M3内核，其结构特性久经市场考验，在很多场合得到了应用。为了增强其运算能力，在芯片设计时，可以很迅速的进行乘法运算的很大一部分原因是它的内部有个乘法器，简化程序编写的工作量。为了让CPU的工作频率是72MHZ，就要把芯片里边集成PLL电路，因为PLL技术可以达到这一要求。芯片内部集成了128K的FLASH和16K的RAM，用来给用户进行数据的存储和替换。除了基本的存储资源外，其包括多通道的模数转换期，通过引脚配置可以使得引脚工作在ADC模式，其检测精度高达12位，可以满足大部分情况下的模数转换需求，并且支持DMA模式，这样在使用时不会中断程序，保证程序运行的连续性。另外，其内部自带多个定时器，并且定时器有多种模式可以使用，如PWM模式，比较模式等等，也都可以通过程序进行配置使用。图5单片机最小系统图电源的供电是单片机工作的基础，除此之外，复位电路也是必须的。为了让单片机的程序可以从头开始运行，就要使用复位电路。单片机的程序在刚开始的时候是很容易混乱的，这是因为单片机在上电的状态是不稳定的。但是单片机的芯片是有复位引脚的，当电路正常工作时，单片机引脚会呈现高电平，如果没有在高电平上的话，系统的程序一直在刚开始的样子。为了避免这个问题就必须设计一个复位电路，在正常工作时，复位引脚就会因为电容的原因与GND连接变低。当上电完成后，电容充满电，该引脚变高，程序就会从头开始新一次运行。另外，还加入了按键，用于进行手动复位，当人工按键按下时，复位引脚就会发成改变，它就会自己降低。系统复位，当按键被松开以后，系统程序就会从头开始新一轮的运行。在保证复位电路的设计完成后，还需要对晶振电路进行配置，对于单片机来说，晶振的可靠有效运行对其至关重要。在程序运行的时候，其每一条指令运行多少时间就是由晶振来决定的，对于STM32单片机，其晶振方式有两种，一种是片内的，一种是片外的。前者速度较慢，稳定性也较差，因此通常都是采用后者，也就是片外的晶振。由于其内部自带PLL倍频模块，且支持最大72MHZ的时钟频率，所以通常采用8MHZ的晶振。为了消除干扰影响就要有耦合电容，它的单片机最小系统图图5所示。3.5液晶显示电路在本次设计中，由于系统较小因此选择了型号为OLED12864的液晶。这个型号的液晶，有128个点分布在水平方向，64行分布在垂直方向，所以它的分辨率为128*64。用户可以通过时序控制，来控制每一个点的显示。通过点的显示可以构成各种字符，包括常用的数字，英文以及一些特俗字符，这样就可以达到显示想要的效果。在硬件上，该液晶模块对外主要有4个引脚，其中2个为电源引脚，其供电支持3到5V，因此与大部分单片机的电源可以共用。SCL和SD两个引脚是IIC通信的方式，单片机通过IIC协议与其进行通信配置，按照其数据手册对其内部寄存器进行参数配置后，再将需要显示的数据不断的输入进行，这样OLED12864液晶就会将需要显示的数据在制定场合进行显示出来，以达到显示信息的目标。下图6就是液晶电路图。图6液晶电路图3.6电流检测电路串联小电阻和采用电流传感器时电流的检测最平常不过的两种方式。这个电路图用的是INA282电流传感器，电流检测电路图下图中的图7所示，该芯片5V供电，一共有8个引脚，IP+和IP-是电流的输入输出引脚，由于电流具有方向性，因此当无电流时，该芯片输出的电压值大小为中性点电压，然后当有电流时，按照185mV/A的参数，在中性点电压上叠加，这样控制器通过读取该电压数据可以得到电流大小，还可以得到电流的方向。图7电流检测电路图4.软件设计4.1系统软件开发环境在设计中，在软件程序进行编写的前提下，要完成结构的设计。上边完成了结构的设计，所以现在要开始程序编写。由于本次设计中，采用的是单片机来作为控制器，因此软件程序平台的选择也要与之相对应。通常来说，对于单片机有多种平台可以进行软件程序开发，如KEIL，IAR等等。这个电路选择的是KEIL软件。通过在该平台上进行软件程序的编写，然后进行编译后就可以将生成的可下载文件下载到单片机里面去，这样单片机就可以运行。同时，该软件还支持在线调试功能，通过专用的在线调试工具，可以对单片机运行中的寄存器数据进行实时的检测。让用户进行程序调试更加的方便。4.2主程序设计图8是对程序设计的主程序框图，从图中可以看出，刚开始完成初始化对相关参数，然后检测按键，完成输出频率的设定，接着开始输出层SPWM波来控制逆变电路，液晶显示相关信息之前电流要检测成功。如图8主程序流程图所示。初始化检测电压检测电流参数比较初始化检测电压检测电流参数比较输出SPWM维持目前参数调整反馈是否正常开始初始化检测按键设定频率输出SPWM检测电流刷新显示结束图8主程序流程图图9逆变流程图4.3直流变交流程序设计在直流变交流过程中，单片机产生SPWM波来控制全桥逆变电路，就会产生频率不变电压不变的正弦波，它的逆变流程图如图9所示。先进行初始化成功后检测其电压，紧接着检测电流，检测电流后把参数进行比较，紧接着会输出SPWM，如果反馈正常就持续目前，不正常就要进行调整。4.4模数转换程序设计对于电压和电流的检测，本质上都是通过ADC来实现的，因此其关键就是对ADC的设计，其流程如下，启动后首先对需要配置的ADC通道进行检测速率，位数的参数配置，然后开启ADC检测，得到电压数据，再将其根据硬件电路参数转换为最终的数据进行输出。开开始配置ADC通道开启ADC读取电压电压转换输出数据结束图9模数转换流程图5仿真调试5.1MATLAB仿真软件简介MATLAB可以处理因为可以处理数学工具所以它是一种数学工具处理软件，MATLAB之所以有数据可视化、开发算法、数值计算、系统分析等显著优点，MATLAB系统的计算基础是矩阵运算。MATLAB之所以能设计出功能强大实性能运行稳定的程序，是因为它是一个高级编程语言面向工程和科学计算。它整体上提高了系统编程以及计算的效率。MATLAB数字计算能力非常的强大，所以标准算法以及图像工具会被软件提供到用户。整体上提高系统在对图像进行处理过程中的灵活程度，尽可能降低代码编写的时间，避免重复程序的设计。5.2电路仿真打开MATLAB软件后，进入simulink环境，然后通过新建file的形式，新建一个.mdl模型文件，如图10所示。在该空白文件下，就可以进行模型的搭建，此时需要将库文件的模型拖到这个空白文件就可以。图10mdl空白文件如图11所示，为库文件，该库文件除了有电阻，MOS管等基础器件外，还具有PWM发生器，PI控制环路等多种库。图11库文件在此通过库文件将需要的器件如MOS管，PWM发生器等找出来，然后按照前述设计的电路进行搭建，最终完成了如图12所示的仿真图。其中包括了输入电源，三相全桥逆变电路，示波器，反馈回路等器件。图12三相逆变仿真图在完成模型搭建，设置完所有参数按，电击仿真运行按钮，等到仿真运行完成就可以观察仿真运行的效果。如图13是SPWM的仿真运行图。图13SPWM仿真运行图如图14所示为三相全桥逆变电路的输出电压图，其一共有ABC三相进行输出，各相之间相位差是120°与预期符合。图14三相逆变输出电压波形图6结论本次完成了基于PWM控制的三相逆变器设计，从去年冬天选了课题，寒假在家写开题报告，查了一冬天资料的我深深感到了知识的匮乏。但是我仍然没有放弃。很多问题看着只有几个字但是还得花费好多时间去读懂它。在这个过程中碰到了好多的困难，但是要积极发现问题并解决问题，加强了对待问题的耐心和决心。在用用DXP画电路图时，我发现了自己好多的缺点，动手能力不足，有点足心，耐心不够。这就让我明白了在学习专业知识的时候，不能只靠死学，要把学到的运用到实际生活中。完成毕业设计是一个实打实的过程，是我四年学习生活的总和，也是大学生活中最重要的一次大考。所以选择课题的时候、写开题报告的时候、开题答辩的时候，理解电路原理的时候，编写程序的时候，绘制电路图的时候，以及写实习报告的时候我都有用心去做。我学到了好多平时不会知道的知识。通过和其他同学的交流我还发现了自己和其他同学的差距。在设计的过程中，不光要设计出东西还要把设计出来的东西完美化，简单化，程序化。在遇到不少困难的时候，多亏我查阅了好多的知识，更重要的是，少不了老师和同学们帮助。我战胜了一个又一个困难。完成了基于PWM控制的三相逆变器设计这个苦难课题。当然学习是用永远不能停止的，还要不断地努力学习。实践离不开学习，学习离不开时间我懂得了这个平时很平常的到道理。相信在以后的生活中，我会比现在更加努力，学习的更加多。我会更加努力。参考文献[1]刘凤君,三相四桥臂逆变器[J],电源技术应用,2012,5（1-2）:1-4[2]孙进,侯振义,苏彦明.三相四臂对逆变电源控制方法扩展功能的研究[J],电工技术学报,2014,19（4）:61-65[3]阮新波.四桥臂三相逆变器的控制策略[J],电工技术学报,2015,15（1）:61-64。[4]杨松,曾鸣,苏宝库,重复控制算法在转台伺服系统中的应用[J],电机与控制学报,2017，11（5）：508-511[5]孙驰,张国安,魏光辉,一种新颖的三相四桥臂逆变器电流调节方案