单相正弦波逆变电源Word文档格式.docx
《单相正弦波逆变电源Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单相正弦波逆变电源Word文档格式.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
4.7总程序的设计18
第5章系统测试19
5.1测试使用的仪器19
5.2指标测试和测试结果19
5.3输出正弦波的测试19
5.4输出功率及效率的测试19
5.5过流保护的测试20
5.6空载待机功能测试21
5.7输出电压范围的测试21
第6章结果分析22
第7章结论22
参考文献22
附录23
第1章系统设计
1.1设计要求
设计并制作输出电压为26VAC的单相正弦波逆变电源。
（1）、基本要求
①在额定输入电压Ui=24V下，输出电压有效值UO=26V±
0.5V，频率
，负载为50Ω和15Ω电阻；
②15Ω电阻情况下，逆变效率
≥70%；
③过流保护功能，动作电流值为
，具有自恢复功能。
（2）、发挥部分
①进一步提高逆变器效率
；
②输出频率可调10～50Hz；
③具有工作参数显示功能（显示输入输出电压、电流、频率等5项参数）；
④其他；
1.2总体设计方案
1.2.1设计思路
题目要求设计并制作输出电压为26VAC的单相正弦波逆变电源，输入为24VDC电源，负载为阻性的单相正弦波逆变电源。
设计中主电路采用DC-DC-AC的技术，逆变部分采用SPWM（正弦脉宽调制）技术。
1.2.2方案论证与比较
⑴DC-DC变换器的方案论证与选择
方案一：
推挽式DC-DC变换器。
推挽电路是两不同极性晶体管输出电路无输出变压器（有OTL、OCL等）。
是两个参数相同的功率BJT管或MOSFET管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。
电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。
推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。
推挽式拓扑结构原理图如图1.2.1所示。
图1.2.1推挽式拓扑结构图
方案二：
Boost升压式DC-DC变换器。
拓扑结构如图1.2.2所示。
开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感储能后使电压泵升，而电容
可将输出电压保持平稳，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。
该电路采取直接直流升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。
7
图1.2.2Boost电路
方案比较：
方案一和方案二都适用于升压电路，但是方案一可以产生较大功率。
推挽式DC-DC变换器可由高频变压器将电压升至任何值。
Boost升压式DC-DC变压器不使用高频变压器，由24V升压至50V左右，PWM信号的占空比比较低，会使得Boost升压式DC-DC变化器的损耗比较大。
所以采用方案一。
（2）DC-AC变换器的方案论证与选择
半桥式DC-AC变换器。
在驱动电压的轮流开关作用下,半桥电路两只晶体管交替导通和截止,它们在变压器T原边产生高压开关脉冲,从而在副边感应出交变的方波脉冲,实现功率转换。
半桥电路输入电压只有一半加在变压器一侧，这导致电流峰值增加，因此半桥电路只在500W或更低输出功率场合下使用，同时它具有抗不平衡能力，从而得到广泛应用。
半桥式拓扑结构原理图如图1.2.3所示。
图1.2.3半桥式电路
全桥DC-AC变换器。
全桥电路中互为对角的两个开关管同时导通，而同一侧半桥上下两开关管交替导通，将直流电压成幅值为
的交流电压，加在变压器一次侧。
改变开关的占空比，也就改变了输出电压
。
全桥式电路如图1.2.4所示。
图1.2.4全桥式电路
方案一和方案二都可以作为DC-AC变换器的逆变桥，由两者的工作原理可知，半桥需要两个开关管，全桥需要四个开关管。
半桥和全桥的开关管的耐压都为VDC，而半桥输出的电压峰值是1/2VDC，全桥输出电压的峰值是VDC，所以在获得同样的输出电压的时候，全桥的供电电压可以比半桥的供电电压低一半。
出于这点的考虑，决定采用方案二。
1.2.3系统组成
系统方框图如图1.2.5所示，先采用DC-DC推挽升压变换把24VDC升至50V~56V，保证输出有效值为26V的正弦波不出现截止失真和饱和失真。
输出电压反馈采用调节SPWM信号脉宽的方式。
空载检测电路使得当没有负载接入时，让系统进入待机模式，当有负载接入时，才进行逆变工作模式。
同时，空载检测电路也作为过流保护的采样点。
用单片机来控制，输出电压由ADC采样后分析，在液晶屏幕上显示。
图1.2.5系统组成图
第2章单元硬件电路设计
2.1DC-DC变换器控制电路的设计
DC-DC变换器控制电路如图2.1.1所示。
采用恒频脉宽调制控制器TL494，这个芯片可推挽或单端输出，工作频率为1--500KHz，输出电压可达50V,内有5V的电压基准，死区时间可以调整。
芯片内部有两个误差比较器，一个电压比较器和一个电流比较器。
电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快。
此外TL494（5脚、6脚外接电容C5、电阻R1）自激振荡，9、10脚输出，可单输出也可双输出，本电路为双输出。
调节电位器KT2可调节TL494的9、10脚输出信号占空比，信号经过IRF540放大即可达到放大效果。
图2.1.1DC-DC变换器控制电路图
在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。
由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。
Rt和Ct设定了PWM芯片的工作频率，计算公式为：
=1.1/（Rt*Ct）
2.2DC-AC电路的设计
（1）UC3637设计
图2.2.1UC3637电路
本文利用UC3637设计的脉宽产生电路如图3所示。
考虑到桥式MOS管的驱动器件为IR2110,为了实现IR2110实现自举电容的充放电,UC3637产生的双脉冲必须为双极性互补型。
因UC3637的典型接法所产生的互补PWM脉冲多为单极性,因此图3所设计的电路是将（9脚）和（11脚）连在一起。
用电阻R4,R3,R2对电源分压使V1=6V（1脚）,V2=4V（3脚）,三角波在4～7V内变化（2脚）。
单片机出来的一个数字量经TLC5615（D/A）转换得到正弦波电压控制信号,为一个-2.5～+2.5V的电压,经R5～R7、R13的电平转换作用,转换成4～7V的三角波电压范围内,从而控制输出端的占空比。
SPWM波的原理：
在进行脉宽调制时，使脉冲系列的.占空比按正弦规律来安排。
当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。
图2.3.1与正弦波等效的矩形脉冲序列波形
实现方法：
UC3637具有一个高速、带宽为1MHz、输出低阻抗的误差放大器，既可以作为一般的快速运放，亦可作为反馈补偿运放。
UC3637实现其主要功能的就是两个PWM比较器，实现电路如图2.3.2所示。
其他还有如欠压封锁，2.5V阈值控制等功能，这些功能在应用电路中也给予实现。
图2.3.2PWM产生电路
（2）IR2110驱动器
全桥逆变电路图如2.2.1所示。
电路采用两个半桥驱动芯片IR2110分别驱动全桥的两边场效应管IRF540按驱动信号SPWM波交替导通，输出功率放大的SPWM波。
IR2110是一种高压高速功率MOSFET驱动器，有独立的高端和低端输出驱动通道，其内部功能原理框图如图1所示。
它包括输入/输出逻辑电路、电平移位电路、输出驱动电路欠压保护和自举电路等部分。
各引出端功能分别是：
1端（LO）是低通道输出；
2端（COM）是公共端；
）;
3端（VCC）是低端固定电源电压；
5端（US）是高端浮置电源偏移电压；
6端（UB）是高端浮置电源电压；
7端（HO）是高端输出；
9端（VDD）是逻辑电路电源电压；
10端（HIN）是高通道逻辑输入；
11端（SD）是输入有效与否的选择端，可用来过流过压保护；
12端（LIN）是低通道输入；
13端（VSS）是逻辑电路的地端。
DC-AC控制提高效率的方法。
第一，DC与AC的效率都要匹配。
第二，电路的排版，尽可能排除互相干扰。
第三，DC部分的升压器要与电路匹配。
图2.2.1DC-AC电路图
图1
第3章保护电路的设计
3.1过流保护电路的设计
过流保护电路采用单片机控制。
通过输出反馈电流到单片机，用单片机来判断是否过流。
当输出电流大于设定保护值时，系统自动关闭输出，当输出电流低于设定保护值时，系统自行恢复正常工作状态。
3.2空载保护电路的设计
空载检测电路图采用单片机控制。
通过反馈电流到单片机，用单片机来判断是否空载。
当无负载接入时，系统关闭输出进入待机模式。
当有负载接入时，系统进入正常工作状态。
3.3低通滤波器的设计
低通滤波器原理图如图2.5.1所示。
低通滤波器采用一阶无源LC低通滤波器，低通滤波器L、C的取值可由下式得到。
（2.10.1）
（2.10.2）
为了避免磁环电感饱和，Q值取0.1，截止频率为3.5kHz，经计算，C的值为1.13µ
F，实取0.68µ
F。
L为3.04mH，实取2.36mH。
图2.5.1低通滤波器原理图
第4章软件设计
4.1STC12C5A60S2单片机的内部A/D
电压采集部分由STC12C5A60S2单片机内部自带的10位A/D来完成。
STC12C5A60S2的A/D转换口在P1口的（P1.0—P1.7），有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz（25万次/秒）。
8路电压输入型A/D，除了可做温度检测外，还可做电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。
上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需要作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。
4.2STC12C5A60S2的相关寄存器
需作A/D使用的口需先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应的位置为“1”，将相应的口设置为模拟功能。
当P1口中的相应位作为A/D使用时，要将P1ASF中的相应位置“1”。
与A/D转换有关的特殊功能控制寄存器表
如果要允许A/D转换中断则需要将相应的控制位置1：
将EADC置1，允许ADC中断，这是ADC中断的中断控制位。
将EA置1，打开单片机总中断控制位，此为不打开，也是无法产生ADC中断的A/D中断服务程序中要用软件清A/D中断请求标志位ADC_FLAG（也是A/D转换结束标志位）。
ADC_CONTR特殊功能寄存器：
A/D转换控制特殊功能寄存器，地址在0BCh单元
对ADC_CONTR寄存器进行操作，建议直接用MOV赋值语句，不要用“与”和“或”语句
CHS2/CHS1/CHS0:
模拟输入通道的选择，CHS2/CHS1/CHS0
ADC_START：
模数转换器（ADC）转换启动控制位，设置为“1”2，开始转换，转换结束后为“0”。
ADC_GLAG：
模数转换器转换结束标志位，当A/D转换完成后，ADC_FLAG=1,要有软件清零。
不管是A/D转换完成后由该位申请产生中断，还是由软件查询该标志位A/D转换是否结束，
当A/D转换完成后，ADC_FLAG=1，一定要软件清零。
SPEED1,SPEED0：
模数转换器转换速度控制位
STC12C5A60S2单片机的A/D转换模块说使用的时钟是外部晶振使用或内部R/C振动器所产生的系统使用不使用使用分频寄存器CLK_DIV对系统时钟分频后所产生的供给CPU工作所使用的时钟。
好处：
这样就可以让ADC用较高的频率工作，提高A/D的转换速度；
这样可以让CPU用较低的频率工作，降低系统的功耗。
ADC_RES特殊功能寄存器：
A/D转换结果特殊功能寄存器
AUXR1寄存器的ADRJ位是A/D转换结果寄存器（ADC_RES,ADC_RESL）的数据格式调整控制位。
ADRJ：
0，10位A/D转换结果的高8位存放在ADC_RES中，低2位存放在ADC_RESL的低2位中
1,10位A/D转换结果的高2位存放在ADC_RES中的2位中，低8存放在ADC_RESL中
ADRJ=0，模/数转换结果计算公式如下：
取10位结果（ADC_RES[7:
0]，ADC_RESL[1:
0]）=1024*Vin/Vcc;
取8位结果ADC_RES[7:
0]=256*Vin/Vcc;
ADRJ=1，模/数转换结果计算公式如下：
取10位结果（ADC_RES[1:
0]，ADC_RESL[7:
0]）=1024*Vin/Vcc。
Vin为模拟输入通道输入电压，Vcc为单片机实际工作电压，用单片机工作电压为模拟参考电压。
unsignedintGet_AD_result（unsignedcharchannel）
{
unsignedcharAD_finished;
unsignedinttemp_ad_result;
ADC_RES=0;
//寄存器清零
ADC_RESL=0;
ADC_CONTR&
=0x9f;
//设置转换速度为540个时钟周期转换一次
_nop_（）;
channel&
=0x07;
//不开始转换
ADC_CONTR=channel;
//选择通道
ADC_CONTR|=0x80;
//开启AD转换电源
delay_ms
（1）;
ADC_CONTR|=0x08;
//开始转换
AD_finished=0;
while（AD_finished==0）//等待转换完成
{
AD_finished=（ADC_CONTR&
0x10）;
}
=0xE7;
//关闭AD转换电源和停止转换
temp_ad_result=ADC_RES*4+ADC_RESL;
//取值
return（temp_ad_result）;
}
4.4液晶显示驱动的设计
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
该部分利用STC12C5A60S2单片机来控制液晶显示。
LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3.2.1所示:
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
4
RS
数据/命令选择
12
D5
5
R/W
读/写选择
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
背光源负极
表3.2.1引脚接口说明表
4.5TLC5615产生正弦波
TLC5615为美国德州仪器公司1999年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。
带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。
性能比早期电流型输出的DAC要好。
只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器（单片机）接口,适用于电池供电的测试仪表、移动电话,也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。
4.3.1TLC5615器件的引脚图及各引脚功能
DIN：
串行数据输入端；
SCLK：
串行时钟输入端；
/CS：
芯片选用通端，低电平有效；
TLC5615引脚图
DOUT：
用于级联时的串行数据输出端；
AGND：
模拟地；
REFIN：
基准电压输入端,2V～（VDD-2）；
OUT：
DAC模拟电压输出端；
VDD：
正电源端，4.5～5.5V,通常取5V；
4.3.2功能框图
TLC5615的内部功能框图如下图所示,它主要由以下几部分组成:
1、10位DAC电路。
2、一个16位移位寄存器,接受串行移入的二进制数，并且有一个级联的数据输出端DOUT。
TLC5615功能框图
3、并行输入输出的10位DAC寄存器,为10位DAC电路提供待转换的二进制数据。
4、电压跟随器为参考电压端REFIN提供很高的输入阻抗,大约10MΩ。
5、×
2电路提供最大值为2倍于REFIN的输出。
6、上电复位电路和控制电路。
两种工作方式：
（A）从上图可以看出，16位移位寄存器分为高4位虚拟位、低两位填充位以及10位有效位。
在单片TLC5615工作时,只需要向16位移位寄存器按先后输入10位有效位和低2位填充位，2位填充位数据任意,这是第一种方式,即12位数据序列。
（B）第二种方式为级联方式,即16位数据列,可以将本片的DOUT接到下一片的DIN,需要向16位移位寄存器按先后输入高4位虚拟位、10位有效位和低2位填充位,由于增加了高4位虚拟位,所以需要16个时钟脉冲。
4.3.3TLC5615的工作时序
TLC5615工作时序
TLC5615工作时序如上图所示。
可以看出,只有当片选CS为低电平时,串行输入数据才能被移入16位移位寄存器。
当CS为低电平时,在每一个SCLK时钟的上升沿将DIN的一位数据移入16位移寄存器。
注意,二进制最高有效位被导前移入。
接着,CS的上升沿将16位移位寄存器的10位有效数据锁存于10位DAC寄存器,供DAC电路进行转换;
当片选CS为高电平时,串行输入数据不能被移入16位移位寄存器。
注意,CS的上升和下降都必须发生在SCLK为低电平期间。
4.6TLC5615的程序
voidTLC5615（uintdat）
{
uchari;
sclk=0;
din=0;
cs=1;
cs=0;
dat=dat<
<
6;
for（i=0;
i<
12;
i++）
din=dat&
0x8000;
dat=dat<
1;
sclk=1;
sclk=0;
4.7总程序的设计
程序流程图如图3.2.1所示。
图3.2.1程序流程图
程序开始后进行初始化设置。
设置定时器，液晶的显示等，再扫描按键，并且返回按键值，对每个对应的按键值做出对应的动作，例如：
按键1按下频率上升，按键2按下频率下降，按键3按下切换液晶显示，按键4按下开关机。
在定时器0中进行AD采集和显示，分别采集输入输出的电压电流。
定时器1控制输出正弦波。
第5章系统测试
5.1测试使用的仪器
测试仪器与使用设备如表4.1.1所示。
表4.1.1测试仪器与设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
示波器-双踪数字DST1062B（60HZ,1GSA/S）
杭州三汇有限公司
数字万用表UT70A
优利德有限公司
直流稳压电源QJ3003SIII
宁波求精电子有限公司
5.2指标测试和测试结果
在测试前，先对整机进行调试，首先把接入跳线帽，使得系统进入调试状态，调节RP1，使DC-DC变换器输出电压为50V，然后调节使DC-AC变换器输出真有效值电压为26V。
然后取下跳线帽，在输出端接入1个15Ω电阻，调节使DC-AC的输出电压真有效值为26V，得到的输出电流为2.4A，调节
使得，在输出电流为2.4A的时候系统实现过流保护，蜂鸣器发生报警声。
然后断开负载，接上跳线帽，把DC-AC的输出电压调到26V真有效值输出，取下跳线帽。
此时，系统调试完毕。
5.3输出正弦波的测试
将示波器表笔接到输出端，可以观察到标准的50Hz的正弦波波形，无明显失真。
5.4输出功率及效率的测试
（1）定义：
即为电源把其输入有功功率转换为有效输出功率的能力。
（2）测试方法：
测试方框图如图4.2.2所示。
图4.2.2效率测试方框图.
①先如图4.2.2布置好测试电路。
②各路输出电压、电流的测量应同时进行。
③开启所有设备，记录输入功率数值及各输出电压、电流值。
④计算出输出功率值Pout=Iout*UOUT。
⑤效率η=Pout/Pi*100%，Pi为输入功率。
（3）测试结果与分析：
表4.2.1效率测试结果
电压（V）
电流（A）
功率（W）
输入
24
2.3
55.2
输出
25.91
1.7
44.07
由上表可计算得：
η=Pout/Pi*100%=79.8%
5.5过流保护的测试
（1）定义：
当输出电流大于设定保护值时，系统自动关闭输出，形成过流保护。
当输出电流低于设定保护值时，系统自行恢复正常工作状态。
测试方法如图4.2.3所示。
在输出端接入3个串联的10Ω的电阻作为负载
升级会员 