基于LM3S1138的SPWM逆变器设计.docx

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基于LM3S1138的SPWM逆变器设计

基于LM3S1138的SPWM逆变器设计

ADesignofBasingonSPWM-InverterControlledbyMicro-ControllerLM3S1138

Contestant：

YangtzeUniversity

Student：

CaoChong&ZhangLiangchao&YuXiu

Supervisor：

HuJie

摘要………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract…………………………………………………………………Ⅱ

1绪论……………………………………………………………………1

1.1课题背景…………………………………………………………………………1

1.2国内外研究现状…………………………………………………………………2

1.3论文的研究意义…………………………………………………………………………2

1.4本文研究的主要内容和章节安排………………………………………………3

2系统总体方案设计…………………………………………………………………4

2.1可行性分析……………………………………………………………………4

2.2总体方案设计……………………………………………………………………5

2.3功能描述…………………………………………………………………………7

2.4创新点……………………………………………………………………………8

3硬件电路设计…………………………………………………………9

3.1LM3S1138微控制器简介………………………………………………………9

3.2基于LM3S1138的逆变器工作原理……………………………………………9

3.3逆变电路………………………………………………………………………10

3.4驱动电路…………………………………………………………………………

4系统软件设计…………………………………………………………

4.1PWM脉宽调制部分程序………………………………………………………

4.2LCD12684液晶显示部分程序…………………………………………………

4.3ADC转换程序部分………………………………………………………………

4.4看门狗程序部分……………………………………………………………………

4.5软件总体设计………………………………………………………………………

5系统测试及结果…………………………………………………

5.1预期结果……………………………………………………………………………

5.2测试及结果……………………………………………………………………

结束语……………………………………………………………………

参考文献…………………………………………………………………

附录…………………………………………………………………………

摘要

中频电源属特种电源范畴，广泛应用于航空、航天、舰船、机车、感应加热以及雷达、通信交换机等对电源性能要求严格的领域。

在要求提供失真度小、稳定性高、纯正弦波的同时，还要具有结构紧凑、控制灵活、稳定性好等诸多优点。

传统的模拟器件控制方法，由于模拟器件的温漂性容易造成系统性能的不稳定并存在控制电路元件多，系统复杂，灵活性差等缺点。

本文利用广州周立功公司提供的EasyARM1138开发板，设计了一个基于新型32位微控制器LM3S1138的可调频率中频逆变电源，即克服了传统模拟逆变器电路复杂、灵活性差、系统不稳定等缺点，又兼具普通单片机控制系统的低成本和DSP控制系统的高性能等优点，有效解决了特种电源设计中存在的成本和性能矛盾问题，同时也可应用于对电源频率有不同要求的场合。

本文首先对数控SPWM中频逆变电源的需求及设计需达到的性能指标进行了详细分析，随后根据系统需求和性能指标要求进行了总体方案的设计。

接着本文论述了系统硬件电路的设计与实现，进行了硬件电路的模块划分、微控制器引脚资源的分配、具体单元电路的设计等。

硬件电路由五大模块即控制器模块、功率器件驱动模块、逆变模块、保护模块和显示模块构成，其中控制器模块由EasyARM1138开发板构成，完成SPWM脉宽调制信号产生、LCD显示信号的输出及A/D转换等工作；驱动模块由两片IR2110及外围电路组成，完成SPWM信号的隔离放大并驱动功率开关管；逆变模块由四片绝缘栅双极晶体管组成的全桥电路和LC低通滤波器构成，在SPWM信号的控制下完成外部直流电压向纯正弦波电压的转换；保护模块由LM393及外围电路构成，实现正弦波输出信号的过压和过流保护；显示模块由LCD12864及辅助电路组成，实现相关数据的显示输出。

在硬件设计的基础上，本文接下来论述了系统软件的设计与实现。

首先根据功能需求设计了系统软件的总体结构，接着介绍了几个具体功能模块的实现，包括脉宽调制信号的产生模块、LCD显示模块、AD转换模块和看门狗程序模块等，并在附录中给出了系统主程序及各模块的完整程序。

论文的最后部分对系统的测试方法和测试结果进行了相关论述，并根据测试结果进行了相关的误差分析和说明。

关键词：

LM3S1138SPWMIR2110IGBT逆变器

Ⅰ

Abstract

Intermediatefrequencypowerwhichisanareaofspecialpoweriswidelyusedinaviation,areospace,ships,locomotives,inductionheatingaswellasradar,telecommunicationswitchwhicharethefieldofstrictperformancerequirementsforpower.Itrequiressmalldistortion,highstabilityandapuresinewave.Atthesametime,italsohasacompactstructure,flexiblecontrol,goodstabilityandmanyotheradvantages.Owningtothedriftofanalogdevices,traditionalmethodofcontrollinganalogdeviceseasilyleadstounstablesystemperformanceandremainslotsofdisadvantagesuchasmanyelementsinsteeringcircuit,complexsystemandpoorflexibilityandthelike.

Inthispaper,weusethedevelopmentboardofEasyARM1138providedbyGuangzhouZLGMcuDevelopmentCo.,Ltd.todesignakindofintermediatefrequencyinverterwhichisadjustable,basedonanew32-bitMicro-ControllerLM3S1138.Thiskindofpowernotonlyovercomesmanyfaultsofthetraditionalanalogyinvertersuchascomplexcircuit,poorflexibilityandunstablesystem,butitalsohastheadvantagesoflow-costordinaryMCUcontrolsystemandhigh-performanceDSPcontrolsystem,andsoon.Thatsolvesthecontradictionsofcostandperformancebeingindesigningspecialpowermosteffectively,atthesametimeithasthefrequencyofpowerappliedtotheoccasionsofdifferentrequirements.

Thisarticle,firstly，makesadetailanalysisofthedemandofSPWMintermediatefrequencyinverteronnumericalcontrolandtheperformancecriterianeededtoreachindesigning.Later,itcarriesoutthedesignoftheoverallprogramaccordingtosystemrequirementsandperformancerequirements.

Then,thisarticlediscussesthedesignandimplementationofthehardwarecircuitofthesystem.Andthenitdividesthehardwarecircuitintomoduleandallocatestheresourcesofmicrocontrollerpinandmakesaspecificunitsuchascircuitdesign,andsoon.Thehardwarecircuitconsistsofcontrollermodule,powerdevicedrivermodule,invertermodule,theprotectionmoduleanddisplaymodule.ThecontrollermodulewhichisconstitutedbythedevelopmentboardofEasyARM1138,achievesthegeneratorofSPWMpulsewidthmodulationsignal,LCDdisplayandA/Dconversion,etc..Thedrivermodule，whichismadeupoftwopiecesofIR2110andtheexternalcircuit,completestheSPWMsignalisolationandamplificationanddrivesthepowerswitch.Theinvertermoduleiscomprisedoffull-bridgecircuitbyfourpiecesofIGBTandLClow-passfilterandachievestheconversionfromanexternalDCvoltagetopuresinewavevoltageintheunderofSPWMsignal.TheprotectmodulewhichisformedbytheLM393andtheexternalcircuit,implementstheovervoltageandovercurrentprotectionofsinewaveoutputsignal.ThedisplaymodulewhichismadeofLCD12864andauxiliarycircuitcarriesoutthedatadisplayandoutput.

Atthebasisofhardwaredesign,thisarticlediscussesthedesignandimplementationofsystemsoftwareinthenextparts.Firstofall,itdesignstheoverallstructureofsystemsoftwareaccordingtofunctionalrequirementsandthenintroducestheimplementationofsomespecificfunctionalmodulesincludingthemoduleofgeneratingpulsewidthmodulationsignal,LCDdisplaymodule,A/Dconvertermoduleandwatchdogprogrammodule.Lateritgivesthemainprogramofthesystemandcomplete

programsofeachmoduleintheappendix.

Inthelastpart,thisthesisarguestherelevanttestingmethodsandtestresultsofthesystem.Italsomakestheerroranalysisanddescriptioninaccordancewiththerelevanttestresults.

KeyWords:

LM3S1138SPWMIR2110IGBTInverter

Ⅲ

1绪论

§1.1课题背景

科学技术的发展应符合社会发展的需求，现代科技在技术更新的同时以高效、节能、环保为主要的衡量标准。

电力电子技术是能源动力的核心技术，现代电力电子技术利用新型的电力电子器件、先进的控制方法，使电力电子产品具有了高效、节能、可靠性高、稳定性好等特点，从而广泛应用于现代社会生产、生活的各个领域中。

逆变技术是电力电子技术的重要组成部分，现代逆变技术是一门综合了现代电力电子开关器件的应用、现代功率变换、模拟和数字电子技术、PWM技术、频率及相位调制技术、开关电源技术和控制技术等的综合实用设计技术[1][2]。

输出电压频率为400Hz的正弦波逆变器一般被称为中频逆变电源，属于特种电源的范畴，广泛应用于一些对电源频率和性能有严格要求的领域，如石油开采、冶金、航空、航天、舰船、机车、感应加热以及雷达、通信交换机等。

在要求提供失真度小、稳定性高、纯正弦波的同时，还要求具有结构紧凑、控制灵活、稳定性好等诸多优点。

早期的逆变电源多采用传统的模拟器件控制方法，其逆变功率元件主要由快速晶闸管组成，因而控制电路结构复杂、整机的体积和重量较大、效率很低。

同时，由于这种电路主要立足于分离元件的控制，工作频率的改变和提高会受到很大的限制，且容易受模拟器件温漂性的影响，造成系统性能的不稳定。

随着以IGBT为代表的高性能电力电子器件的发展，与之相适应的逆变电源结构及控制技术也应运而生。

1975年，首次将通信调制技术应用到逆变技术中，即正弦波脉宽调制技术SPWM（SinusoidalPulseWidthMedulation），使逆变器的性能得到了很大的提高，此后各种不同的PWM技术相继出现。

脉宽调制方法具有在一个功率级内同时实现调频、调压且调节速度快等优点，因而在逆变电源控制中得以广泛应用。

PWM控制技术虽然有开关频率高造成开关损耗的缺点，但是这一缺点由于功率开关器件性能的不断提高能够得以逐渐克服[1][2][3]。

§1.2国内外研究现状

传统的逆变器多采用模拟控制方式。

模拟控制技术理论成熟且应用广泛，但存在一些固有的缺点，例如:

控制电路复杂、系统成本高、受外界环境影响严重、器件易老化等，使得系统的可靠性低、维护困难、灵活性不够、设备更新升级困难、稳定性不好。

随着微电子技术和超大规模集成电路的发展以及单片机和DSP芯片的出现，使控制方式得以数字化。

数字闭环控制器精度的提高，克服了模拟电路零漂的影响，可以明显提高电源的精度和稳定度。

特别是16位和32位高性能DSP芯片的出现，使得一片DSP芯片既可完成PWM信号及闭环控制的计算，同时又可以对电源状态进行监控和故障处理，极大地简化了控制电路的设计[4]。

逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变，按输出波形可分为方波逆变器、阶梯波逆变器和正弦波逆变器等[5]。

正弦波逆变器输出的交流电压波形为正弦波，具有输出波形好、失真度低、对收音机及通讯设备干扰小、噪声低、保护功能齐全、整机效率高等优点，是国内外逆变器行业的研究重点。

该类项目的研究已具有了较高的技术水平并已设计出相关产品，如基于各种系列单片机或DSP控制的SPWM逆变器等。

从控制方法上来说，研究比较多的主要有：

多环反馈控制、无差拍控制、状态反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经网络控制等[6]。

§1.3论文的研究意义

早期的逆变电源多采用传统的模拟器件控制方法，其逆变功率元件主要由快速晶闸管组成，因而控制电路结构复杂、整机的体积和重量较大、效率很低。

同时，由于这种电路主要立足于分离元件的控制，工作频率的改变和提高会受到很大的限制，且容易受模拟器件温漂性的影响，造成系统性能的不稳定。

自从单片机出现后，逆变电源的设计就逐渐用数控的方式代替了传统模拟器件控制的方式。

但使用一般的MCU设计逆变电源，由于其运算速度和处理能力的限制，输出的SPWM信号频率不能做得很高，只能输出较低频率的正弦波，在频率要求比较高（如中频逆变电源）的情况下，很难输出比较纯正的正弦波[7]，因此，其应用领域相对较窄。

使用高性能的DSP芯片产生高频SPWM，虽能设计较理想的中频逆变电源，但成本相对较高[8]。

LM3S1138是群星公司生产的一款低成本、高性能、基于ARM@CortexTM-M3核的新型32位微控制器，兼具DSP芯片的超强运算处理能力和普通单片机的低价格优势[9]，利用其设计的频逆变电源既能得到较高频率的纯正正弦波，又能有效降低产品的成本，有效解决了特种电源设计中存在的性能和成本矛盾问题，同时也可应用于对电源频率有不同要求的场合，符合目前国际上“开关技术高频化,逆变器高性能化,控制技术智能化”的发展趋势，市场前景相当广阔。

§1.4研究的主要内容和章节安排

本课题主要研究输出频率可调的单相逆变器控制技术。

基于EasyARM1138开发板设计了一个输出频率可调的逆变器电路，系统逆变部分由4个IGBT管组成的全桥电路及LC低通滤波电路构成，功率开关管的驱动器件选用IR2110，保护电路由LM393及外围电路构成，基于Protel99SE设计了电原理图和PCB图。

系统软件用C语言编写，采用C语言加函数库的方式，开发环境选用IAR9.0。

论文的各章节内容如下：

第一章综述了逆变电源的发展历史和技术现状，给出了本论文的研究背景、研究意义和基本研究内容。

第2章详细讲述了方案的可行性分析及总体方案的设计，其中可行性分析包括设计思路、应用技术分析、技术方案比较和设计的重难点；接着简略概括了逆变器的功能特点及技术指标，然后详细阐述了该项目的总体方案设计即系统接口描述和系统总体方案设计。

第3章主要讨论系统硬件的设计与实现。

首先给出了系统硬件结构框图，进行了硬件电路的模块划分，然后对各个模块具体电路设计进行了详细介绍。

第4章主要论述系统软件的设计与实现。

首先介绍了软件的总体结构，然后对各个功能模块进行了详细说明。

第5章给出了系统的测试方案及结果。

首先设想了预期结果，然后将程序嵌入开发板测试实际电路得到测试结果并记录数据。

2系统总体方案设计

§2.1可行性分析

2.1.1设计思路

本课题选用EsayARM1138开发板，以LM3S1138为控制核心，辅以扩展的键盘及显示电路和SPWM逆变电路组成完整的系统。

根据采样控制理论，由LM3S1138输出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲，控制IGBT功率开关管的导通和截止，使逆变器输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波。

输出的信号经低通滤波器滤波后，即可得到所需要的正弦波。

改变调制脉冲的宽度可以控制输出电压的幅值，改变调制周期可以控制输出电压的频率，从而达到使逆变器的输出电压和幅值同时可调的目的。

2.1.2应用技术分析：

本课题的实现，需要使用到以下关键技术：

①基于EastARM1138开发板设计简单外围扩展电路，LM3S1138的GPIO口分配

②LM3S系列ARM驱动库软件包的应用

③键盘及LCD显示器的驱动

④IGBT管及驱动器的选型

⑤不同幅值、不同频率信号的正弦脉宽数据表的设计

2.1.3技术方案比较：

在逆变器电路的设计中，控制方法是核心技术。

早期的控制方法使得输出为矩形波，谐波含量较高，滤波困难，而SPWM技术较好地克服了这些缺点。

目前SPWM的产生方法大致可分为以下4种：

①利用分立元件，采用模拟、数字混和电路生成SPWM波。

此方法电路复杂，实现困难且不易改进；

   ②由SPWM专用芯片SA828系列与微处理器直接连接生成SPWM波，SA828是由规则采样法产生SPWM波的，相对谐波较大且无法实现闭环控制；

③基于CPLD或FPGA设计，实现数字式SPWM发生器。

此方法需重新学习可编程逻辑器件的相关知识及硬件描述语言，项目组成员在此方面的知识积累较少，开发周期长；

④基于单片机实现SPWM，此方法控制电路简单可靠，利用软件产生SPWM波，减轻了对硬件的要求，且成本低，受外界干扰小。

本课题选用此方案。

2.1.4设计重点难点：

完成本方案设计的重点和难点有以下几点：

①LM3S1138的GPIO口分配和驱动函数的调用

②LCD显示模块的驱动和相关数据的显示

③不同幅值、不同频率信号的正弦脉宽数据表的设计

④过流保护电路的设计

§2.2总体方案设计

2.2.1系统接口描述

本系统的接口包括电源、数据反馈、控制输出及人机交互等。

1．电源

出于电路设计的简便，本系统设计的电源由两台稳压电源提供。

从实际应用的角度考虑，共设计有3路电源输入：

1路+5V电压，给IR2110输入部分供电；1路+15V电压提供给IR2110的脉宽输出部分；第3路为可调电压，经继电器保护后，作为提供给IGBT管的直流电压。

由于稳压电源的外壳接地，故本系统没有设计给IGBT管提供负偏压的悬浮地。

2．数据反馈

数据反馈输出接口1路，为逆变输出电压经整流、滤波、分压后送LM3S1138A/D转换输入端，用于监控正弦波输出幅值的信号。

3．控制输出

控制输入接口为LM3S1138输出的2路交替工作的脉宽调制信号，用于控制逆变器输出正弦波电压的幅值和频率。

4．人机交互接口

人机交互接口分为两类:

一类为键盘接口，直接使用EasyARM1138开发板上的3个按键（1个按设计步长使频率增加、1个使频率减小、1个作为系统复位控制按键）；另一类为显示输出，使用自定义的扩展接口，连接LCD显示器12864，显示4行，16列字符。

5．接口功能定义

综上所