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

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

完成时间

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

2.1.1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。

2.1.2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。

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图2-1SPWM的输出波形图

2.2.1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

2.2.2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

3.2.1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

3.2.2滤波电路

滤波电路的作用是把直流电压过