基于pwm的正弦波电源的设计与实现(编辑修改稿)

基于pwm的正弦波电源的设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

影响也较大，因此使用 PID 控制时系统的稳定性较差，基本上无法满足系统的要求。 实际系统往往在 PID 控制基础上增设平均值反馈以保证稳态精度。 基于 PWM 的正弦波电源的设计与实现 7 3 逆变系统基本结构及其控制策略 为了提高逆变系统的性能，必须对逆变系统的整体结构有详细的了解。 在对系统调 试时，必须选择合适的控制方式。 本章详细地介绍逆变系统的结构、 控制方式并确定本设计中的控制方式。 逆变系统的基本结构 逆变系统包括 逆变器 及其 控制电路 、辅助电路等 ，逆变 器的 功能就是将直流电转化为交流电， 逆 变器中最为主要的部分就是逆变主电路也就是使用开关器件的电路部分， 逆变主电路的作用就是将直流电逆变为交流电输出。 同时逆变主电路还要受到控制电路的控制， 通过控制电路的控制逆变主电路中的开关器件的通断时间的控制，最后得到一个与期望相符的输出波形。 在逆变系统中除了最重要的逆变主电路和控制电路以外，还包括了滤波电路、 死区时间控制电路 、辅助电源、驱动部分、过压过流电路。 下面对各个部分做一些简单介绍 : （ 1） 逆变主电路 作为逆变系统中最重要的部分，逆变主电路主要实现 了直流电向交流电的逆变。 它的主要原理就是通过对电路中的开关器件的通断时间的控制来得到期望的输出值，其中开关管的选择也十分重要。 逆变主电路控制了输出信号的幅值大小。 （ 2） 控制电路 控制电路的功能是按照输出要求通过调节控制脉冲控制开关器件的通断，使得逆变主电路顺利的完成逆变，控制电路控制了逆变系统的频率的大小，通过改变系统的控制就可以改变系统的频率。 （ 3） 滤波电路 滤波电路分为输入滤波电路和输出滤波电路。 滤波电路的主要作用就是滤除波形中的谐波，其中逆变系统中的输出滤波电路主要采用低通滤波电路。 （ 4） 采样调 理电路 采样调理电路的主要作用就是将输出电压采样并就将采样的信号与基准信号比较后，然后将比较后的信号通过处理器后再作为输入送人逆变主电路中，直到输出信号与基波信号一致时，采样调理电路就不再工作。 （ 5） 辅助电源与过欠压保护电压 辅助电源的主要作用就是将交流输入信号转换为合适的直流电压，保证逆变主基于 PWM 的正弦波电源的设计与实现 8 电路的正常运行。 过欠压保护电路的主要作用就是在系统出现过压，欠压时还能使得系统正常的运行，保证系统的稳定性。 （ 6） 驱动电路 驱动电路的主要作用是保证系统中芯片的正常运行。 逆变系统中的控制电路中的芯片需要驱动电路才能 运行， SPWM 波的产生电路中也需要驱动电路才可以正常的运行。 SPWM 控制技术 原理 及其实现 SPWM 控制技术是正弦波电源的主要控制方式，通过对 SPWM 波占空比的改变，可以调节逆变电源的频率，本章详细介绍 SPWM 波的各种生成方式，确定设计中所使用的 SPWM 实现方式。 SPWM 控制技术原理 正弦波脉宽调制（ SPWM）即 通过按 正弦波变化的脉冲控制逆变主电路中的开关器件的通断来得到正弦波等效 的 PWM 波形。 如图 31 中所示为 PWM 波的产生过程， 图 31a 中为一正弦波形，为了通过正弦波得到一个正弦波 形，将正弦波分为M 等份，将这 M 等份的正弦波等效为 M 个脉冲系列，这样就得到了一系列宽度相同且等于 π/M 的脉冲 ，这些脉冲彼此相连就形成了脉冲波形。 图 31 用 PWM 波替代正弦半波 由于脉冲波形是由正弦波确定的，因此个各脉冲的幅值不同，各脉冲的幅值是按照正弦规律变化的。 将上述所得到的的脉冲序列使用一系列宽度不等，幅值相同的脉冲替代，由于是等效的替代正弦波，因此所得到的的矩形波脉冲序列的面积与正弦波面积 相同，各个矩形脉冲的宽度是由相应的正弦波等份确定的，通过等效替代 就得到图 31b 所示的脉冲序列，即 PWM 波形。 SPWM 分为单极性与双极性两种调制方式。 基于 PWM 的正弦波电源的设计与实现 9 （ 1） 单极性调制方式 图 32 是采用 IGBT 作为开关器件的单相桥式 PWM 逆变电路。 单极性控制方式的原理是只在正半周期或负半周期 控制 IGBT 管的通断， 像这种通过单极性控制方式得到的 SPWM 波形的调制方式为单极性调制方式。 ED 1D 2Q 3Q 4D 3D 4RQ 1Q 2 图 32 单相桥式 PWM 逆变电路 （ 2） 双极性调制方式 图 32的单相桥式 PWM逆变电路在采用双极性控制方式时的波形如 33所示。 当采用双极性调制方 式时，由于载波 uc在基波的半个周期内的波形出现了有正有负的现象，因此经过调制后的 SPWM 波同样 也是有正有负，不再是单极性的变化了。 在双极性控制方式下 ， ur的一个周期内输出的 PWM 波只有 177。 U d 两种电平， IGBT 管的通断控制也是在 ur与 uc的交点时刻。 图 33 双极性 PWM 控制方式波形 对于逆变电源而言，不同的要求所采用的调制方式也不同。 上述两种调制方式对于逆变主电路中的开关器件通断的时间控制 不同， 单极性控制方式中的载波只在正极性或负极性这一种极性变 化，所得到的的 PWM 波也只有一种极性。 而双极性控制方式的载波是在正极性与负极性这两种极性之间变化，所得到的 PWM 波有正也有负。 根据设计要求，逆变电源所 得到的输出波形为正弦波，因此，本设计中采用双极性控制方式。 基于 PWM 的正弦波电源的设计与实现 10 SPWM 控制脉冲的实现方式 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，以 SPWM 为控制方式的控制方案可以简化系统结构、提高系统的响应速度。 SPWM 波的形成方法主要有：等面积法、硬件调制法、软件生成法。 下边主要介绍硬件调制法与软件生成法。 （ 1） 硬件调制法 上述所介绍的等面积法需要大量的繁琐的计算，因此在一般的设计中并不会使用此种方法。 下边介绍一种为了解决等面积法计 算繁琐而出现的方式 硬件调制法。 该种方法的基本原理就是将调制信号与载波信号进行比较，通过对比较后的信号进行处理后再与调制信号进行比较，直到与调制信号一致为止。 使用硬件调制法得到SPWM 波时，一般情况下使用的载波为等腰三角波，而调制信号一般为正弦波。 在实际的应用中，通过模拟电路就可以实现载波与调制信号的比较，然后再参考调制信号对比较后的信号进行调制，直到与调制信号一致为止。 此种方法简单，但由于模拟电路的复杂性使得所得到的的信号准确性不高。 （ 2） 软件生成法 随着微机技术的发展，利用软件生成 SPWM 波形变得容易 起来，因此软件生成法就应运而生。 软件生成法就是利用软件来实现调制，软件生成法包括：自然采样法、规则采样法。 本设计中主要介绍一下规则采样法。 1） 规则采样法 规则采样法以一种应用较广的方法， 图 34 所示为规则采样法的示意图。 取三角波的两个正峰值之间为一个采样周期 Tt。 在自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角波一个周期的中点重合。 而规则采样法中则使两者重合，这就使得计算大为简化。 在图 34 中，三角波的负峰值时刻对正弦信号波采样而得到 M 点，过 M 点作一水平直线和三角波分别交与 A、 B 两点，在 A、 B 两点所对应的时刻控制 开关器件的通断。 设三角波和正弦波的幅值分别是 tmU 和 rmU ，周期分别是 tT 和 st ，脉宽 2t 和间隙时间 t1和 3t 由下式计算 ：     2 2 1 s i n 2tst T T t     (31) rm tmUU (32) 基于 PWM 的正弦波电源的设计与实现 11       1 3 2 2 4 1 s i n 2t t st t T t T T t        (33) 由公式 31 和 32 可以很容易求得 1t 和 2t 值，从而确定相应的脉冲宽度。 MU tAA ’B ’Bt 2 39。 t 2t 1t 3T tU r 图 34 规则采样示意图 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。 比较以上几种方式可以看出软件生成法具有抗干扰强，电路简单等优点，是一种比较理想的控制方案。 一般情况下均采用 DSP 芯片作为 SPWM 波产生的主要形式，但本设计中的功率参数要求并不高，同时考虑到成本问题，使用单片机完全可以满足设计的要求。 本设计中采用了 AT89S52 生成 SPWM 波的方式， 如图 35 所示。 在图 35 所示的仿真中，主要通过对单片机中的定时器的设定来实现 SPWM 波的产生，图中的 X1为晶振，晶振大小为 10KHZ，由它来控 制单片机的输出频率。 经过单片机得到的 SPWM 波形如图 36 所示。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2C13pC23p R11 0 kC31 0 uX1CR Y S T A LABCD 图 35 SPWM 产生电路 基于 PWM 的正弦波电源的设计与实现 12 图 36 SPWM 波形 基于 PWM 的正弦波电源的设计与实现 13 4 系统硬件电路 逆变系统包括逆变主电路、滤波电路、升压电路、 SPWM 生成电路等，根据设计技术指标 来确定各个电路中元器件型号，完成对系统的整体结构的设计。 电源的整体结构和原理 通过上述对单相正弦波逆变电源的数学模型及其控制器的分析基础上，设计逆变电源的整体 结构。 电源的整体框图如图 41 所示： 图 41 电源整体框图 逆变电源的工作过程为：输入为直流电压 24V， 经 过升压 电路后 电压 供给 逆变器主电路。 逆变主电路的控制方式为 SPWM 控制方式，即通过单片机芯片产生的SPWM 信号 ， 经过隔离驱动电路进行隔离放大后来控制开关功率管的通断，经过逆变器逆变后再经过滤波电路就得到输出为 36V/400Hz 的交流电。 逆变电源主电路的设计及仿真 逆变电源主电路如图 42 所示，逆变电路的输入为直流电压 E=51V， 是由升压模块得到的，本实验中的升压模块采用的是推挽式升压模块，它的主要优点是可以将输入电压升压至任何值，使用推挽式升压电路完全 可以满足设计要求。 输入电压经过推挽升压电路后得到的输出电压作为 DCAC 电路的输入，经过逆变 H 桥的逆变后得到满足设计要求的正弦波输出。 Q1Q4 为四只 IGBT 管，它的开关频率高，基于 PWM 的正弦波电源的设计与实现 14 损耗小，参数离散小，可靠性高，高温性能稳定，气动性能稳定，由 IGBT 构成的逆变器效率高，输出电压与电流的波形失真小，噪音低。 开关电源的开关频率越高，所需要的 LC 滤波器的体积越小，逆变器的输出电压谐波畸变越小，本设计中的开关频率选用为 10KHz。 图 42 逆变主电路 死区 时间控制电路 的设计 死区时间控制电路就是为了 防止输出信号失真，由于 IGBT 等功率器件内部存在结电容，会造成功率器件通断时间的延时。 使用死区时间控制电路可以防止 H 桥中的功率器件同时出现开通或关断，通常由与非门组成。 本设计中采用 74HC08 与74HC14 组成的与非门。 死区时间的计算公式为： ( m a x )( m a x ) onoff TTTD  （ 41） 式中： TD— 死区时间； Toff— IGBT 关断延时时间； Ton— IGBT 导通延时时间。 死区时间控制。