单相SPWM逆变电源.docx
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单相SPWM逆变电源
设
计
报
告
设计者：
林东刘丽玲温定贤
指导教师：
周小方老师
日期：
2008年8月30日
单相SPWM逆变电源
摘要
本设计以PIC16F877A单片机为核心，利用面积等效法生成SPWM波，通过控制逆变器件的工作状态实现对输出的控制，从而得到频率和大小都可调的正弦交流电。
该逆变电源输出的正弦交流电精度高，性能稳定，实用价值高。
关键词：
PIC16F877A、面积等效、逆变
1系统设计
1.1方案论证
根据设计要求，电路的主要功能是将输入的单相交流电先转变成直流电，再通过逆变电路和控制电路将直流电转变成大小和频率都可调的单相交流电，即为交直交变频电路。
因此系统主要应包括两部分：
逆变电路和驱动电路。
1、逆变电路[1]
逆变电路主要是通过控制回路输出宽度按正弦规律变化的脉冲来控制开关器件的通断，从而输出正弦波。
由于交直交变频器主要用于交流电机的调速，即负载为阻感负载，系统运行时需要消耗无功功率，而采用全桥逆变电路可以实现能量的双向流动，由交流侧向直流侧反馈无功能量，故逆变电路采用单相全桥逆变电路。
2、驱动电路
设计电路时逆变器件采用的是场效应管IRF840，它的栅源极之间有一个2000pF左右的极间电容，为快速建立驱动电压，则要求驱动电路的输出电阻很小。
而且IRF840开通时栅源极的驱动电压为+12V～+18V，关断时需施加一定幅值的负驱动电压，约为－3V～0V，因此驱动电路主要由晶体管电路组成，通过输入信号来控制晶体管的导通与关断，提供相应的驱动电压，保证场效应管快速有效的通断。
1.2系统框图
根据题目要求和方案论证，本设计的系统框图如图1.1所示。
输入的交流电经整流、滤波后输出直流电，作为逆变电路的工作电源。
当键盘有键对输出电压的频率和调制比进行预置时，PIC16F877A单片机把所预置的数值送到数码管进行显示，同时通过内部的软件设计输出幅度相等、宽度按正弦规律变化的脉冲波，通过控制逆变电路的工作状态，得到规则的正弦波。
2.单元电路设计
2.1主电路
主电路的工作原理如图2.1所示，包括整流滤波电路、单相全桥逆变电路和电感滤波电路。
整流滤波电路将输入的单相交流电变成直流电,全桥逆变电路将直流电变成正弦交流电，经过滤波电路后得到标准的正弦波。
场效应管IRF840属于电压型控制器件，可通过给门极相应的驱动信号来控制器件的导通与截止，内部含有二极管，可以起到续流和反馈的作用。
电路中各场效应管的栅极控制信号和输出电压、电流的波形如图2.2所示，负载为感性负载，工作时VT1和VT4的通断状态互补，VT3和VT4的通断状态也互补。
电路的工作原理[2]是：
在输出电压的U0的正半周，VT1保持通态，VT4保持截止状态，VT2和VT3交替导通和截止。
由于负载为感性负载，因此电流总是滞后于电压，在电压正半周，电流有一段时间为负，即从B点流向A点，另一段时间则为正，从A点流向B点。
在电流为负的区间内，当VT1和VT3都导通时，输出电压U0=Ud；VT3关断，VT2开通后，由于电流方向不能立即改变，因此VD1导通续流，输出电压U0=0。
这样依次循环导通，U0总共有Ud和0两种电平。
同理，在U0的负半周，VT4保持导通状态，VT1处于截止状态，VT2和VT3交替导通或截止，则输出电压U0有－Ud和0两种电平。
如此通过控制开关管的工作状态，使得输出脉冲的宽度按正弦规律变化，和正弦波等效，输出即为单相正弦波。
若要改变输出正弦波的大小，则只要按照同一调制率改变上述各脉冲的宽度即可。
2.2驱动电路
场效应管VT1、VT2的栅极驱动电路如图2.3所示，由于栅源极的驱动电压为+12V～+18V，因此利用电容C5来形成自举电路。
上电时，电源对电容充电，端电压为15V。
当栅极有输入信号时，T1导通，T2基极为低电平，则T2导通，由于二极管本身压将的作用使得T3截止，由于电容正极电位的作用使得到D点为高电平，电路输出正驱动电压，场效应管导通。
同样，当栅极没有输入信号时，T1和T2截止，T3导通，AD两点电势差为0，场效应管截止。
场效应管VT3、VT4的栅极驱动电路如图2.4所示，由于场效应管的源极接地，因此只要通过控制栅极的输入信号即可获得相应的驱动电压。
当栅极有输入信号时，G3为高电平，电路输出正驱动电压，场效应管导通；当栅极没有输入信号时，场效应管截止。
由于场效应管的栅源极之间有2000pF左右的极间电容，为快速建立驱动电压，则要求驱动电路的输出电阻要很小，因此电阻R6取为10Ω，满足充电时间小于0.2us的要求。
3.软件设计
（1）主程序流程
软件部分的主要功能包括数码管的显示扫描、按键控制和产生按正弦规律变化的矩形脉冲。
系统通过按键来设置输出电压的频率和调制比，并利用单片机内部CCP的比较功能通过中断来控制输出脉冲的宽度，从而控制逆变器件的工作状态，得到所需的正弦波。
主程序流程图采用模块化结构，按各个子程序的功能进行划分。
程序每隔2.5ms执行一次，通过对各功能模块进行调用来实现软件控制。
主程序流程图如图3.1所示。
（2）SPWM生成原理[3]
系统采用面积等效法生成正弦脉宽调制波，即利用相同时间间隔内正弦波的面积S1和脉冲面积S2相等的原则经计算得到不同的脉宽值。
正弦波在一个在周期T内采样N次，则一个控制信号周期TC为
。
设输入正弦波幅值为Ud，调制比为m，则第n个控制周期正弦波输出电压的平均值为：
n=0,1,2,……,（N-1）
根据等面积原则，控制信号周期也为TC，且脉冲幅值为Ud，则占空比为：
n=0,1,2,……,（N-1）
脉冲宽度为
。
因此只要在程序的初始化部分建立一个正弦表，系统运行时通过查表再经过简单的运算即可得到所求的脉宽，所得结果存入RAM中。
由于输出电源频率的调节范围为21～100Hz，可调范围较大，为保证输出正弦波的精确度高，软件设计采用分段处理的方法，即频率在21～36Hz一个周期采样150次，37～52Hz采样102次，53～68Hz采样次数为78次，69～84Hz则采样62次，85～100Hz则为50次。
正弦波规则对称，因此只取1/4周期进行计算，计算模块流程如图3.2所示。
系统运行时根据输入的频率值和调制比，在中断程序中调用相应的值并利用单片机内部CCP的比较功能来控制输出脉冲的宽度，产生相应的按正弦规律变化的方波信号。
中断程序流程如图3.3所示。
4.系统测试
设定频率f（Hz）
设定调制比m
输出电压有效值U（V）
测量频率f0（Hz）
21
0.64
15.821
20.4
0.95
24.611
20.83
50
0.64
16.407
49.50
0.91
23.055
49.02
70
0.64
16.832
67.37
0.93
23.762
68.49
100
0.65
16.973
96.15
0.94
23.479
99.8
输入交流电压幅值为18v，由测量结果可知，频率的最低值为21Hz，最高为100Hz，且可通过设定不同的调制比来改变输出电压的大小，满足输出电压在一定范围内可调，最大电压可达25V，但由于实际电路和理论的差别使得最小电压不能达到15V。
由测量数据可知，设定的频率值和实际测得的频率值相接近，误差小。
图3.4是频率为50HZ时的波形，正弦波波形失真小，精确度高，波形稳定。
当负载为47Ω时，通过调节电压的大小，可得最大输出电流为0.5A。
5.结论
本设计以PIC16F877A单片机为核心，利用面积等效法生成SPWM波并控制逆变器件的工作状态，实现对输出的控制，从而得到输出频率和大小都可调的正弦交流电。
经测试观察可知该逆变电源满足输出电压为15.821～18V，频率可调范围为21～100Hz，最大电流可达0.5A，基本完成了题目要求的各项功能。
该电源输出的正弦交流电具有精度高、性能稳定等特点。
6.参考文献
[1]王兆安，黄俊编著．电力电子技术［Ｍ］．北京：
机械工业出版社，2007，７
[2]李荣正，刘启中，陈学军编著．PIC单片机原理及应用（第2版）［Ｍ］．北京：
北京航空航天大学出版社，2005，10
[3]全国大学生电子设计竞赛组委会编．全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第一届~第五届）［Ｍ］．北京：
北京理工大学出版社，2004，8
7.附录
附录
（一）原器件明细表
序
号
名称
型号及
规格
数
量
备注
序
号
名称
型号及
规格
数
量
备注
1
三极管
IRF840
4
2
三极管
2N5401
8
3
三极管
2N5551
4
4
电解电容
2200/50V
1
5
电解电容
100/50v
2
6
电阻
0.05/2W±5%
1
7
电阻
2.2KΩ±1%
12
8
电阻
510Ω±1%
4
9
电阻
10Ω±1%
4
10
二极管
IN4007
2
11
二极管
IN4148
4
12
集成芯片
BR101
1
13
电感
20uH
1
14
电容
105
10
附录
（二）原理图
附录（三）PCB图
附录（四）主程序清单
;-----------------------
;系统程序设计（080727）
;----几个重要子程序及主子程序之间的关系
;-----------------------
;以下为特殊功能存储器的定义
;-----------------------
INCLUDE"PIC16F877A.INC"
;-----------------------
;以下为I/O口定义
;-----------------------
#DEFINEG1RC,0
#DEFINEG4RC,1
#DEFINEG2RC,2
#DEFINEG3RC,3
#DEFINESDIRC,4;SPI串口数据输入
#DEFINESDORC,5;SPI串口数据输出
#DEFINEBEERA,5;蜂鸣
#DEFINECS0RB,1;LED0
#DEFINECS1RB,2
#DEFINECS2RB,3
#DEFINECS3RB,4
#DEFINECS4RB,5
#DEFINECS5RE,0
#DEFINECS6RE,1
#DEFINECS7RE,2;LED7
;-----------------------
;以下为内部RAM的定义
;-----------------------
WBUFEQU7CH;W保护单元,含0A0H单元
STBUFEQU7DH;STATUS保护单元
FSBUFEQU7EH;FSR保护单元
PCBUFEQU7FH;PCLATH保护单元
R0EQU24H;R0~7工作寄存器
R1EQU25H;R0~7循环变量或中间结果
R2EQU26H
R3EQU27H
R4EQU28H
R5EQU29H
R6EQU2AH
R7EQU2BH
R8EQU2CH
R9EQU2DH
DSBITEQU2EH;显示位选,0~7=LED0~LED7
DSBUF0EQU2FH;显缓LED0
DSBUF1EQU30H;显缓LED1
DSBUF2EQU31H;显缓LED2
DSBUF3EQU32H;显缓LED3
DSBUF4EQU
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