毕业设计论文家用逆变电源的设计.docx
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毕业设计论文家用逆变电源的设计
湖南第一师范学院
毕业论文（设计）
题目
家用逆变电源的设计
学生姓名
学号
指导教师
院部名称
信息科学与工程学院
专业班级
12电子1班
完成时间
2016年4月17日
湖南第一师范学院教务处制
本科毕业论文（设计）
家用逆变电源的设计
学生姓名：
院部名称：
信息科学与工程学院
专业名称：
电子科学与技术
指导教师：
毕业论文（设计）作者声明
1．本人提交的毕业论文（设计）是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。
除文中特别加以标注的地方外，本文不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的成果。
对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中明确标明。
2．本人完全了解湖南第一师范学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学院保留并向国家有关部门或机构送交本文的复印件和电子版，允许本文被查阅、借阅或编入有关数据库进行检索。
同意湖南第一师范学院可以采用影印、打印或扫描等复制手段保存和汇编本文，可以用不同方式在不同媒体上发表、传播本文的全部或部分内容。
3．湖南第一师范学院在组织专家对毕业论文（设计）进行复审时，如发现本文抄袭，一切后果均由本人承担，与学院和毕业论文指导教师无关。
作者签名：
日期：
二Ｏ一年月日
摘要
本文论述是一种采用STC12C5A60S2单片机为核心的SPWM逆变电源，能将输入的12V直流电逆变成稳定的220V交流电输出，单片机通过自然数查表法控制内部的两路硬件PWM模块生成SPWM脉冲信号，采用单极性调制方案驱动单相全桥逆变电路，输出经LC低通滤波器滤波，最后在负载上得到稳定的正弦波交流电。
该系统主要由整流电路、滤波电路、逆变电路、驱动隔离电路、电源电路、保护电路以及单片机的最小系统组成。
另外本系统外接按键及液晶屏，按键能设定电源输出电压和频率，液晶屏能实时显示输入电压及输出电流，输出正弦波的频率，使系统的安全及稳定得到了很大提升。
本正弦波逆变器主要用的是SPWM控制技术，整体的电路具有简单的结构而且在机械特性方面也表现良好，同时价格也比较低廉。
这样的设计能完美达到题目的需求并且已经在各种相关的行业里被普遍采用。
关键词：
SPWM；单极性调制；单相逆变；STC单片机
ABSTRACT
ThisarticlediscussestheuseofSTC12C5A60S2amicrocontrollercoreofDC-ACinverter,12VDCinputreversecanbecomestable220VACoutput.Thenthemicrocontrollerthroughanaturalnumberlook-uptableinsideanotherchannelhardwarePWMcontrolmodulegeneratesSPWMpulsesignalmodulationschemeunipolardrivesingle-phasefull-bridgeinvertercircuit,outputbytheLClow-passfilter,thefinalstablepuresinewaveACoutputtotheload.Single-phasetrapezoidalwavePWM（pulsewidthmodulation）inverterSPWMinverterstructureandstructuralsimilarities,includingtheDCpowersupply,single-phasefull-bridgeinvertercircuit,controlcircuit,filtercircuit.InadditionthesystemexternalbuttonsandLCDscreen,LCDscreencandisplayreal-timeinputvoltageandoutputcurrent,thesystem'ssecurityandstabilityhasbeengreatlyimproved.ThesinewaveinverterismainlyusingSPWMcontroltechnology,thewholecircuithassimplestructureandhasgoodmechanicalproperties,atthesametime,thepriceischeap.Thisdesigncanachieveperfectsubjectrequirementsandhasbeenwidelyusedinallkindsofrelatedindustries.
Keywords:
SPWM;Dualpolaritymodulation;One-waybridge;TheSTCofSinglechipmicrocomputer
第1章绪论
1.1研究目的及要求
掌握正弦波逆变器的电路组成，重点明白其中各元器件的原理及用处，对正弦波逆变电路在电阻负载、电阻电感负载的工作情况及其波形作全面分析，并研究工作频率对电路工作波形的影响。
采用SPWM控制方式对逆变电桥进行调制，最后经电容、电感过滤实现正弦波逆变的目的。
1.2相关研究现状及前景
逆变电源的发展与和电力电子器件的发展息息相关，可以说电力电子器件器件的发展引导着逆变电源的发展。
上世纪60年代正是电力电子技术飞速发展的时期，逆变电源就是在这个时期产生的，直到现在，逆变电源已经经过了三代的发展。
第一代逆变电源是把晶闸管当做逆变器的开关器件，叫做可控硅逆变电源，因为之前的晶闸管无自己关断的能力，即使增加了换流电路，也使得逆变电源接下来的发展空间受到局限。
从上世纪70年代末开始，许多自关断器件相继被发明出来，例如可关断晶闸管、电力晶体管等，这也促进了逆变电源的发展，于是使用自关断器件作为开关器件的逆变器产生了，这就是第二代逆变电源，使用了自关断器件的逆变器它逆变电源的性能获得了极大的提升，使用了自关断器件的逆变器与初代逆变器相比有了许多优点，首先因为有了自关断功能，所以不再需要换流电路，这样使主电路得到简化以至于降低了成本；其次由于逆变器使用了自关断器件，以至于其性能相比初代得到了极大的提升。
这一代的逆变电源通常采用带输出电压有效值反馈的SPWM控制技术来控制。
这一代的逆变器拥有简单的结构和容易实现的优点，但也并不意味着它没有缺点，由于它没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，所以还是有不少的缺点的，首先它如果负载是非线性的就没有良好的适应能力，非线性的负载会使输出电压的波形发生畸变；其次因为没有瞬时值的反馈所以它的动态特性也不好；最后因为有控制不到的时间域，同样会使输出的电压波形发生畸变。
这些缺点使得第二代逆变电源依然不够完善。
随着新世纪新型电源控制技术的快速发展，针对第二代逆变电源的不足，掌控了实时反馈控制技术，从此第三代逆变电源由此诞生，这种技术到现在还在不断地改进。
实时反馈控制技术现存很多种，考虑动态性能和适应性等方面，带电流内环的电压瞬时值反馈控制是现阶段被大众接受的技术[1]。
第2章系统分析
2.1逆变器的基本概念与工作原理
正弦波逆变器的电路构成
直流变交流的部分称为逆变部分，逆变器的作用是将直流电转化为交流电经过电感滤波后供给负载，这里的LC滤波是为了滤除高次谐波，得到正弦波，而逆变器因为它输出的电压和频率与输入的直流电源无关所以为称为无源逆变器。
无源逆变器是正弦波逆变电路的关键。
本设计采用的是单相桥式逆变电路，输出电压及频率的大小是使用PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）控制调节的。
常用逆变器调压方法
可控整流器调压：
通过负载对电压的要求，使用可控的整流器来完成对逆变器输出电压的调节。
直流斩波器调压：
在确定逆变器的电源侧有较高功率的情况下，通过不可控整流器可以在直流环节中通过设置改变直流斩波器来进行对电压的调节。
逆变器自身调压：
在采用不可控整流器的前提下逆变器能用自身的电子开关进行斩波控制，这样就可以得到脉冲列，通过改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，就可达到对输出的电压进行调节，这种方法被称为脉宽调制（PWM）。
2.2SPWM调制变频技术
SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation，正弦脉冲宽度调制）调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。
如图2-1所示，等效的原则是每一区间的面积相等。
假使把一个完整周期的正弦半波无限切割成n等份，接下来把用一个与此面积相等的矩形脉冲来替换各等份的正弦波曲线与横轴所围成的面积，所代替的矩形脉冲其幅度值不发生变化，正弦波每一等份的中点与各个脉冲的中点相重合，由此n个相同幅度，宽度不同的矩形脉冲所构成的波形就与正弦波的半个周期效果相同。
正弦波的另一个半周期同样适用一样的方法与其等效。
假使整流器输出的直流恒定电压为Us，而且使得电机绕组的中点与直流电压中点相互连接，那么SPWM脉冲序列波的幅度值变为Us/2。
此处正弦波值跟第i个矩形脉冲的宽度将近成正比例。
于是跟半周期正弦波相同效果的SPWM波形是中间宽、两边窄，脉冲宽度按正弦波形的法则慢慢改变的序列脉冲波形。
跟其余各种变频变压调制方式相比较，此脉冲序列比常规六拍阶梯波更加靠近于正弦波。
这种方法方便让负载电流中的高次谐波成分极大的减弱，由此转为矩形脉动很小，系统整体性能有了极大的提升。
通常情况下，SPWM有单极性和双极性两种不同的调制方式。
T
图2-1SPWM的输出波形图
单极性SPWM
在单极性SPWM输出的每半周期内，脉电压仅有一种极性，负半周期为一U和零，正半周期为十U和零，它的波形调制工作特点如图2-2所示。
单极性SPWM调制的工作特点：
均在半个周期里面，逆变电桥同一桥臂的两个逆变器件中仅有一个，按照脉冲系列的法则;一个是时通时断的工作，而另一个完全截至;并且在另一个半周期里面，这两个器件的工作情况刚好相反[2]。
图2-2单极性调制的工作特点图
双极性SPWM
上述的单极性SPWM逆变器主电路每相只有一个开关器件反复通断。
假使通过同一桥臂上、下两个不同的开关器件交替地打开和关闭，那么输出的脉冲在“+和“—”之间变化，由此就有了双极性SPWM波形[3]。
双极性SPWM调制的工作特点：
在逆变桥运作的时候，同一桥臂的两个逆变器件一直按照相电压脉冲系列的法则不断地打开与关闭，时刻进行，从不间断。
具体工作特点如图2-3所示。
图2-3双极性调制的工作特点图
第3章硬件设计
本正弦波逆变器主要用的是SPWM控制技术，整体的电路具有简单的结构而且在机械特性方面也表现良好，同时价格也比较低廉。
这样的设计能完美达到题目的需求并且已经在各种相关的行业里被普遍采用。
3.1电路原理图
图3-1主回路原理图
从图3-1中可以看出，输入12V直流电压经过滤波电路的这个部分采用电容进行过滤，在逆变的部分采用了四个金属氧化物半导体管（即MOS管）组成了一个单相桥式逆变电路，后使用用单极性的调制方式进行调制，输出的SPWM波形过经电感、电容组成的LC滤波器滤除高次谐波，得到一个8V的纯正弦波。
输出的8V正弦波电压经过工频变压器升压到220V家用交流电压[4]。
3.2原理论述
此设计主要使用的硬件电路有7805降压电路、电压检测电路、全桥逆变电路、IR2104驱动电路、单片机电路、按键设置电路、显示模块、电流检测电路、LC滤波器、工频变压器、以及一些外围电路，详细的系统框图如图3-2所示。
图3-2电路系统框图
单片机的选择
此设计所采用的单片机是STC12C5A60S2，它能让系统的功能到完美的实现，可以有效的输出两路PWM波形，通过软硬件设计，达到多功能的电机控制，此单片机的存储字节数可达到60K之多，并且拥有36个I/O口，具有2路PWM输出、8路10位ADC转换、每个I/O能设置成弱/强上拉、高电阻、开漏状态，此单片机里面包含上电复位电路，抗干扰，抗静电，低成本，低功耗，性价比高[6]。
本设计单片机电路图如图3-3所示。
图3-3单片机电路图
滤波电路
滤波电路的作用是把直流电压过滤，过滤掉其中不平整的脉动，这样的目的是确保之后的电路环节能得到优秀质量的电压或电流，本电路的滤波电路部分采用的是电容滤波电路。
虽然从理论上来讲只要电容值越大那么过滤的效果就越好，但是出于对实际的考虑无论结构上还是价值上都不能这样，所以要计算电容的实际大小。
要设计一个滤波电路通常都会选择具有较高电抗性的元件，简单的滤波电路一般是在负载上并联一个电容器或者在负载上串联一个电感器，如果同时使用电容和电感组成滤波电路则被称为复式滤波电路。
交流电转换为直流电后会有电压波动，这里通过电容率波过滤掉电压波动。
当直流电转换为交流电的时候为了在负载得到无畸变的正弦波这里采用复式滤波器。
本设计采用的滤波电路如图3-4所示。
图3-4滤波电路图
电压检测电路
由于在电机运行过程中，可能会产生电网电压波动的情况，如果电网低于某个数值时，可能会损坏正在运行的用电器，所以需要对母线电压进行检测。
具体电压检测电路如图3-5所示，由于
=12V，而单片机的采样电压最高位5V，故采样电阻比例
（3-1）这里取R1和R5是100K和10K，
（3-2）
1<
2,所以满足条件。
图3-5电压检测电路图
全桥逆变电路
如图3-6所示的电桥电路，其电路中需要用到四个场效应管，电路的A端和B端都要与用电器连接。
由于直流电接入因此需要挑选具有充分大耐压值的场效应管，此次设计选用的是IRF540，33A/100V场效应管，IRF540场效应管不仅满足耐压方面的要求而且在通断时间能够恰当的把控[7]。
图3-6全桥逆变电路图
驱动电路的选择
方案一：
基于三极管等元件组成的驱动电路，这种驱动电路的好处是价格便宜且结构简单，但是本设计的要求的驱动电路必须高于电源电压的电路，所以如果选择这种驱动电路就需要再为它增加一个驱动电源，这无疑增加了设计的难度。
方案二：
半桥式驱动电路，本半桥驱动电路采用IR2104作为它的驱动芯片，该芯片的优点是结构简单、性能可靠并且能即大的提升电路的稳定性，降低了设计难度。
该芯片采用被动式泵荷升压原理。
上电时，电源流过快恢复二极管D向电容C充电，C上的端电压很快升至接近Vcc，这时如果下管导通，C负级被拉低，形成充电回路，会很快充电至接近Vcc，当PWM波形翻转时，芯片输出反向电平，下管截止，上管导通，C负极电位被抬高到接近电源电压，水涨船高，C正极电位这时已超过Vcc电源电压。
因有D的存在，该电压不会向电源倒流，C此时开始向芯片内部的高压侧悬浮驱动电路供电，C上的端电压被充至高于电源高压的Vcc，只要上下管一直轮流导通和截止，C就会不断向高压侧悬浮驱动电路供电，使上管打开的时候，高压侧悬浮驱动电路电压一直大于上管的S极。
采用该芯片降低了整体电路的设计难度，只要电容C选择恰当，该电路运行稳定[8]。
因为本设计的要求是简单的结构和稳定的电路，无疑第二种方法最能达到要求，所以就选择方案二。
本设计基于IR2104的半桥式驱动电路如图3-7所示。
图3-7基于IR2104的半桥驱动电路图
电流检测电路
方案一：
霍尔电流传感器。
电流流经霍尔传感器的线圈能产生磁场，传感器产生的磁场跟随电流的大小改变而改变，磁环内的磁场最为强大，由霍尔元件输出随磁场变化的电压信号，通过检测电压值从而得到电流的大小。
方案二：
电阻分压检测电路。
通过在输出回路中串联采样电阻，将通过电阻的电流转换成两端的电压，通过检测电压值从而获得电流值。
该检测方法电路和程序控制都比较简单。
要实现对输出电压和电流的闭环控制，必须对输出电流和电压进行采样反馈。
本设计采用如图3-8所示的电流检测电路。
为了便于MCU采集，分压电阻产生的电压经过由LM358构成的同相比例放大器放大后，输入到MCU的ADC端口。
图3-8电流检测电路图
第4章程序设计
4.1程序选择说明
要完成本正弦波逆变器的设计除了硬件方面的设计还需要进行开软件的设计，为了实现单片机的各种功能，软件程序的编制是不可缺少的。
对于本系统的软件编程主要有两种编程语言，分别是汇编和C语言。
汇编语言的好处就是运行速度可观但也拥有不方便编程和调试困难的不足。
C语言拥有非常好的可读性，而且调试过程非常容易，移植性好。
所以本设计软件系统使C语言来编写程序。
4.2SPWM查表
根据正弦波的一系列数据进行精确计算得出每个脉冲的宽度和他们之间的间隔，以此来操控开关器件的通断来得到PWM波形。
SPWM算法按照规律采用法需要按相同角度步进将正弦波分成等分，本设计将半波平均分成分成54等分，计算余弦数值得到一系列数据，并将数据做成程序列表，存储进单片机的ROM里面。
Ucharcodepwm[54]={255,240,226,211,196,182,168,154,141,128,115,103,91,80,69,59,50,42,34,27,20,15,10,6,3,1,0,0,1,3,6,10,15,20,27,34,42,50,59,69,80,91,103,115,128,141,154,168,182,196,211,226,240,255};
4.3程序结构流程图
主程序流程图
本设计主程序流程图如图4-1所示。
主程序主要处理对时间要求不敏感的数据，例如显示电压电流状况，以及按键检测。
本设计的主程序主要是进行各项初始化程序，查询ADC检测数据后计算并显示出相应的输入电压和输出电流，通过显示的电压电流来控制按键检测程序。
YesNo
图4-1主程序流程图
定时器中断程序流程图
在定时器中断程序中，通过查表的方式，得到一个单极性SPWM波形。
具体程序流程图如图4-2所示。
将设定好50HZ输出正弦波输出频率，那么半波即100HZ频率，为了降低单片机片内储存空间，我们设定一个半波分辨率为54，即半波的数组里面有54个数据，这54个数据对应的是一个正弦半波中的SPWM的占空比。
那么每个占空比保持的时间是（1/100/54）185us。
我们设置定时器为每185us进入一次中断，每进来一次就降此时对应的数组里面的数据赋给硬件PWM，给左边的半桥输入SPWM控制信号，当次数超过54次后，数组又回到最开始，给另外一个半桥输入控制SPWM信号。
这样循环往复，就得到一个完整的SPWM波形。
No
No
Yes
No
Yes
No
Yes
图4-2中断程序流程图
按键程序流程图
本设计按键流程图如图4-3所示。
按键程序中主要是控制机器的逆变H桥的工作的使能，按第一下，H桥工作，再按下后取反，H桥停止工作。
按键1控制频率的增加，按键2控制频率的减小，按键3控制IC2104使能是否工作。
No
YesYes
YesNo
Yes
No
Yes
Yes
No
图4-3按键程序流程图
4.3.4ADC检测数据程序
在如图4-4所示ADC检测数据这个子程序中，这里用数字平均滤波算法，采集200个数据，然后取平均值，使得到的数据更加接近真实状况，使得显示出来的电压和电流不会乱跳，抗干扰能力得很大的提高。
No
Yes
No
Yes
图4-4ADC检测数据程序流程图
第5章系统测试
5.1单片机输出波形测试
测试仪器
因为要对单片机输出电压和SPWM波形进行测试，所以需要示波器。
实验采用Siglent双通道200M示波器。
测试方法
第一步：
将双通道示波器的两个探针接在单片机输出PWM的引脚；
第二步：
记录波形数据；
第三步：
改变单片机输出SPWM的频率，返回第一步操作，直到调出50HZ的SPWM波测试完。
测试结果
把示波器的其中一个探针接到其中一个PWM输出端口，另一个探针接到另外一个端口，得到的SPWM波形，经过LC滤波后出来的波形如图5-1所示。
接入LC滤波器后，SPWM波形变为纯正弦波。
图5-1输出结果波形图
经过测试，该设计能输出10V/50HZ的正弦波，其中SPWM波形设有死区时间，在软件上避免了单向电桥的共态导通。
5.2电路效率测试
测试仪器
需要测试电源的带载性能及效率，需要万用表和负载。
1.可调压电源：
本实验采用兆信30/5A数显线性电源。
2.万用表：
深圳胜利VC980+数字万用表，数量为4个。
3.负载：
负载为100W50Ω的环形滑动变阻器。
4.示波器：
单片机输出的载波频率为47KHZ。
测试方式
测试示意图如图5-2所示：
图5-2测试图
测试步骤：
第一步：
按照测试图接好电流表电压表和大功率滑动变阻器，滑动变阻器调到最大；
第二步：
打开试验用可调电源打到12V；
第三步：
逐步调大滑动变阻器的电阻值，记录V2，A2，A1，V1的变化数据；
第四步：
逐步调整调节滑动变阻器，每调整一次做一次的记录；
第五步：
返回第四步，直到输出电流过大，达到自保护的状态。
测试结果
测试额定功率下的供电效率，测试结果如下表所示。
表5-1输入输出电流电压记录表
U1（V）（DC）
I1（A）（DC）
U2（V）（AC）
I2（A）（AC）
η效率
0.20
8.4
0.21
0.74
0.34
8.4
0.42
0.85
0.46
8.4
0.61
0.91
0.60
8.4
0.80
0.92
0.76
8.4
1.02
0.93
0.88
8.4
1.21
0.95
1.01
8.4
1.39
0.95
1.17
8.4
1.61
0.95
1.30
8.4
1.81
0.96
1.45
8.4
2.02
0.96
0.10
0.0
0.00
0.00
由以上数据得到：
满载输出情况下，供电效率为96%。
第6章结束语
6.1结论
SPWM逆变电源设计全面阐述了正弦波逆变器的基本结构、驱动原理以及硬件软件的设计。
本文所设计的基于51单片机的正弦波逆变器具有硬件结构简单、保护功能完善等特点。
主要实现了如下功能：
（1）采用STC12C5A60S2作为控制核心，加强智能控制；
（2）具有安全控制系统，能实现了系统的过流保护、堵转保护；
（3）设计了驱动电路、控制电路的设计，提高系统的可靠性：
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