基于PWM的正弦波电源的设计与实现.docx
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基于PWM的正弦波电源的设计与实现
学校代码:
11517
学号:
201150712302
HENANINSTITUTEOFENGINEERING
毕业设计
题目基于PWM的正弦波电源的设计
与实现
学生姓名韩立业
专业班级电气工程及其自动化1123班
学号201150712302
系(部)电气信息工程学院
指导教师(职称)牛亚莉(副教授)
邓丽霞(讲师)
完成时间2013年5月20日
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论文作者签名:
年月日
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本人郑重声明:
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除文中已经注明引用的内容外,本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名:
年月日
河南工程学院
毕业设计(论文)任务书
题目基于PWM的正弦波电源的设计与实现
专业电气工程及其自动化学号201150512302姓名韩立业
主要内容、基本要求、主要参考资料等:
主要内容:
设计一个基于PWM的正弦波电源,包括电源逆变系统的基本结构和控制方式、硬件电路的设计、控制系统软件的设计等。
根据仿真模型焊接,并选择各元器件,作出实物,并将实物的实际输出与模型比较,校正并调整,并将此电源在实验室制作出实物。
基本要求:
1、掌握PWM控制技术,确定总体设计方案。
2、熟悉逆变器工作原理,完成器件选型,绘制系统硬件原理图。
3、完成硬件电路的焊接、测试。
4、编写软件程序,进行软硬件联机调试。
主要参考资料:
[1]刘风君.正弦波逆变器.北京科学出版社,2002
[2]王水平等.PWM控制与驱动器使用应用电路.西安电子科技大学出版社,2004
[3]王兆安.电力电子技术,第五版.北京机械工业出版社,2009
[4]钱照明,叶忠明,董柏藩.电力系统自动化.北京科学出版社,1997(21):
35-70
[5]李先允,姜宁秋.电力电子技术.中国电力出版社,2007(6):
17-29
完成期限:
指导教师签名:
专业负责人签名:
年月日
基于PWM的正弦波电源的设计与实现
摘要
伴随着电力电子技术的发展以及变频电源的应用越来越广泛,对作为变频电源中重要的部分—逆变器也提出了更高的要求。
传统的逆变器多为模拟控制或模数控制相结合的控制系统,结构复杂,集成化程度低,并且价格高,因此逆变器的数字化成为了一种趋势。
逆变器主要包括逆变主电路、控制电路、滤波电路及其他辅助电路。
本设计首先介绍逆变电源的传统控制及数字化控制方式,接着介绍逆变电源的基本结构,分析逆变电源的SPWM控制原理,编写了SPWM的产生程序。
随后进行了逆变系统的硬件设计,主要包括逆变主电路、死区时间控制电路、DC-DC升压模块等,并确定了电路中各元器件的型号。
在Proteus中完成了系统的仿真与调试,在仿真中系统的参数满足了设计要求,之后完成实物的制作,完成实物后,经测试结果并未达到要求。
关键词逆变器/数字控制/脉冲宽度调制
DesignandRealizationofsinewavepowersupplybasedonPWM
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,variablefrequencypowersupplyappliedmorewidelyinourlife,butalsoputforwardhigherrequirementsonasanimportantpartoftheinverterfrequencyconversionpower.Thetraditionalinvertertocontrolthesystem,simulationofcontrolormoduluscontrolcombinedwithacomplexstructure,theintegrateddegreeislow,andthepriceishigh,sothedigitalinverterhasbecomeatrend.
Inverterincludesthemaincircuit,theinvertercontrolcircuit,filtercircuitandotherauxiliarycircuit.Thisdesignintroducesthetraditionalinverterpowercontrolanddigitalcontrolmode,andthenintroducesthebasicstructureofinverter,SPWMcontrolprincipleofinverterpowersupply,thegenerationprocessofSPWM.Thenthehardwaredesignofinvertersystem,includesthemaincircuit,controlcircuitofinverterdeadtime,DC-DCconvertermodule,andtoidentifythecomponentsinthecircuitmodel.ThesimulationanddebuggingofthesystemintheProteussysteminthesimulation,parametersmeetthedesignrequirements,afterthecompletionofproductioninkind,tocompletethematerial,thetestresultsdonotmeettherequirements.
KEYWORDSInverter,Digitalcontrol,PWM
1绪论
电力电子器件产生于20世纪40年代末,随着几十年的发展,电力电子器件在大功率化、高频化、集成化得到了长足的进步,在此期间逆变器技术也飞速发展起来。
1.1论文的来源目的及意义
变频电源就是一种交流-直流-交流转换的电源装置,经过转换后的输出信号为纯净的正弦波信号,该种电源可在适当的范围内调节输出信号的频率和电压。
它在我们的生活与工作中应用十分广泛,主要适用于家用电器、电子应用、实验室等方面,并可用来检测各种用电电器。
变频电源中的逆变器的作用就是将直流电压转为交流电压,随着科技不断的进步,逆变器技术也得到了长足的发展,同时对逆变器的要求也越来越高。
采用模拟控制方式或模数相结合的控制方式的逆变电源的结构复杂,集成化程度低,并且价格昂贵。
为了解决这些问题,同时随着高性能的数字芯片的产生,逆变器的数字化成为了一种趋势。
PWM的全称是PulseWidthModulation(脉冲宽度调制),该种控制方式的基本原理就是通过改变逆变主电路中的开关器件的通断时间来得到一系列宽度不等、幅值相同的脉冲,而后用此脉冲替代设计中所需的波形。
脉宽调制控制方式因其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。
随着电子技术的发展,出现了多种脉冲宽度调制技术,其中包括:
相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等。
所谓SPWM,就是在脉冲宽度调制的基础上改变了调制脉冲方式,通过改变脉冲的占空比得到正弦波的输出。
1.2设计指标及实现
技术指标为:
当输入电压为24V±10%V时,经过逆变器的输出电压要达到单相交流36V±5%V,400Hz的指标,且输出电流为200mA。
根据设计指标确定逆变系统的主电路,并且确定系统的控制方式,完成该系统的软件仿真,根据仿真的结果进行调试,得到符合技术指标的输出。
根据仿真模型确定各个元器件,最终做出电源的实物。
1.3研究概况
逆变电源从出现到现在共经历了三个阶段的发展,20世纪50年代末是电力电子技术飞速发展的时期,逆变电源也产生于这个时代。
逆变电源出现之初逆变电路中采用了Thyristor(晶闸管)开关器件,因为电路中采用晶闸管器件,该种逆变电源也称为可控硅逆变电源。
这是逆变电源发展的第一个阶段。
此种电源的出现使逆变技术向前发展了一大步,同时也带来一些问题:
在逆变电源中增加了换流装置,增加了其复杂性,并且有噪声大、体积大等缺点。
第二代的逆变电源采用GTO、GTR、IGBT等关断器件作为开关器件。
此种电源的优点如下:
由于采用了自关断器件,因此电路中不需要换流装置,这就减小了电源的体积,并降低了成本,使得逆变电源的开关频率、动态压降均减小。
但是该种电源也有缺点,就是对非线性负载的适应性不强。
第三代的逆变电源是应对前两种电源中出现的缺点而提出的。
第三代逆变电源采用MOSFET管,理论上说这种加强型绝缘栅场效应管无需驱动功率,因此不存在驱动电流的多次放大,驱动只要使MOS绝缘栅充电过程中输出一定的脉冲幅度,即可使开关管导通,并且其栅极并不消耗功率。
该种逆变电源的出现大大提高了系统对非线性负载的适应性以及其动态特性。
1.4主要内容
通过前期对相关资料的查阅,本文分析和对比了全桥及半桥逆变结构及其控制方式的优缺点,通过比较,本文选用电压利用率较好、实际效果更好的单相全桥逆变电路作为本设计的主电路,随后介绍了系统辅助电路的设计,并给出了产生SPWM波形方法及其程序,最后利用Proteus软件完成了系统仿真,分析其有效性和可行性后做出了相应的实物。
本文的内容分为以下几个章节:
(1)介绍本课题的来源、目的及其意义,并介绍逆变电源的国内外研究概况及其研究方向。
(2)介绍逆变器的各种控制方式,通过对传统的逆变器控制方式与数字化控制方式的比较,得出数字化的逆变器是逆变器发展的趋势。
(3)介绍逆变系统的基本结构,具体分析SPWM单相全桥逆变电路的工作原理及单极性、双极性SPWM控制方式,给出了SPWM控制脉冲的实现方法,即利用单片机芯片生成SPWM波。
(4)本章主要是对系统硬件的设计,通过分析并计算逆变器中的元器件的参数并选择各元器件的型号,对整个硬件系统平台进行了详细的设计,主要包括逆变主电路、控制电路、主电路的驱动电路及保护电路的设计。
(5)逆变电源的制作。
(6)总结。
2逆变器的主要控制方式
传统的逆变器控制方式有模拟控制和模数结合控制两种方式,但是在这两种控制方式下的逆变系统结构复杂、成本较高。
随着对逆变器性能要求的越来越高,同传统控制方式比较,数字化的逆变器成本低、控制简单、可调性强,数字化逆变器的优点使它成为了逆变器发展的一种趋势。
2.1逆变器的模拟控制方式
2.1.1电压型控制方式
电压型控制方式作为传统模拟控制方式中最常使用的控制方式。
它的结构及控制图如2-1所示。
图中的误差信号Ue是通过基准信号Ur和采样信号Uof相比较再通过相应的处理器而得到的,再将此信号与载波Uc相比较,经适当的逻辑变换和驱动电路后控制逆变器,如图2-1(a)所示。
图2-1(b)中,G1(S)表示误差放大器的传递函数,d为SPWM信号的占空比,N1、N2为耦合电感的原、副边绕组匝数,kuof为输出信号的反馈系数。
(a)单闭环控制框图
(b)单闭环控制结构图
图2-1电压型单闭环控制方式
2.1.2单周期控制技术
在20实际80年代末出现了一种新型的模拟脉冲宽度调制控制技术,该种控制为OCC技术(单周期控制),它是基于脉冲宽度调制的非线性信号控制方式。
这种控制理论的基本思路就是通过对开关器件的开关占空比的控制,使得开关变量的平均值等于或正比于基准量。
此技术的优点就是输入信号不受负载信号中的谐波的影响,即在有谐波的影响下输入信号也不会发生畸变。
单周期控制技术可以有效地降低系统的成本,简化系统的结构,动态性能得到了提高,减小了系统的体积,减低了成本。
由于对于非线性负载的适应性较强,因此单周期控制技术控制下系统的抗干扰能力较强。
通过非单周期技术的介绍可以看出,此种控制技术多适用于有非线性负载的系统,对系统的跟随性、抗干扰能力要求较高的电路。
2.2逆变器的数字控制
随着电子技术的快速发展,对逆变电源的技术提出了更高的要求,为了应对各种不同的要求,逆变器的控制方式也越来越数字化,这也成为现代逆变技术发展的趋势。
数字化的逆变器具有以下明显优点:
(1)采用数字化控制能使系统的集成程度更高,集成度越高系统的结构就越简单,同时也越容易控制,使系统的性能变得越来越好。
(2)数字化控制方式可以使得系统的控制更为灵活,降低了系统的成本,使得系统的维护更为方便,系统的一致性得到提高。
(3)数字化的控制方式不仅可以提高系统的安全性能,而且对于不同的设计要求,在相同的系统基础上,只需要通过调整控制软件的参数即可得到满足要求的系统。
(4)系统维护方便,在系统运行过程中若出现故障,可以通过检测系统中各个模型、芯片的运行来进行调试、判断出故障的出处,进行故障维修。
在维修过程中可以通过修改系统的参数就可以完成系统的修护。
随着电力电子技术在生活中应用范围越来越广,数字化控制的逆变电源也越来越受到关注,当今电源领域的研究热点就是逆变电源的数字控制,与数字化相对应,各种各样的离散控制方法也纷纷涌现,包括模糊控制、重复控制、PID控制、无差拍控制等,随着各种各样的技术的出现,逆变电源技术也得到了长足的发展,不断的完善逆变电源的各种性能。
逆变电源的主要控制方式有以下几种方式:
(1)模糊控制
对于传统的控制方式,系统的控制精度要求的越高,对系统的动态方面的信息要求也就越高,对于变量较少,较简单的系统,大部分的控制方式均可以正确的描述系统的动态性能,然而对于复杂的系统,一般的控制无法正确的描述系统的动态信息,因此人们便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。
近年来,随着对逆变系统的要求越来越高,随之系统的复杂性也增强了,模糊控制在电力电子领域中的应用引起了人们的重视。
对于复杂的逆变电源的设计,模糊控制器有着以下优点:
对于使用模糊控制的系统,系统不需要有十分确定的控制对象模型,这样就降低了系统设计的复杂性,同时使用模糊控制的系统的动态响应快速,并且具有较强的自适应性。
(2)PID控制
比例-积分-微分控制(PID控制)概念明晰,使用中不需要精确的系统模型等先决条件,由于PID中的参数较易整定,因此是应用最为广泛的控制器,PID控制广泛应用于各种系统的静、动态控制中。
由于没有负载的逆变器相当于一个系统中的振荡环节,因此为了保证系统的稳定性,积分控制部分需要再添加一个相位环节来缓解振荡,这就与PID一般的使用有了很大的区别,同时也对PID有了新的要求。
尽管PID控制可以快速的响应反馈信号,但是无法实现精确的跟踪正弦波信号,同时系统中的非线性负载对PID的影响也较大,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。
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。
3.1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。
3.2SPWM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。
3.2.1SPWM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3-1中所示为PWM波的产生过程,图3-1a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3-1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3-1b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。
(1)单极性调制方式
图3-2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。
图3-2单相桥式PWM逆变电路
(2)双极性调制方式
图3-2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3-3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±Ud两种电平,IGBT管的通断控制也是在ur与uc的交点时刻。
图3-3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。
3.2.2SPWM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3-4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3-4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
和
,周期分别是
和
,脉宽
和间隙时间t1和
由下式计算:
(3-1)
(3-2)
(3-3)
由公式3-1和3-2可以很容易求得
和
值,从而确定相应的脉冲宽度。
图3-4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3-5所示。
在图3-5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3-6所示。
图3-5SPWM产生电路
图3-6SPWM波形
4系统硬件
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