整理逆变电源设计方案.docx
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整理逆变电源设计方案
基于AVR单片机的逆变电源系统
设计方案
201组叶晓辉李欣陈东
针对现代电源变频调幅的要求,提出了利用对称规则采样原理产生SPWM信号,选用ATmega16单片机,设置其16位计时器为相位修正PWM模式产生SPWM信号,结合查表及在线计算方法,实现变频调幅.同时利用其内部集成的AD模块对逆变桥输出进行采样并进行均值滤波处理,实现对系统的PI闭环控制.采用IR2110作为驱动桥,并通过全桥逆变电路及LC无源滤波实现正弦波的输出.系统加入过温过流监测模块,并有人机交互界面（键盘和显示）.
一、SPWM对称规则采样法
对称规则采样法是从自然采样法演变而来的,它由经过采样的正弦波（实际上是阶梯波）与三角波相交,由交点得出脉冲宽度.这种方法只在三角波的顶点或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波.对称规则采样法原理图如图1所示.
图1 对称规则采样法原理图
若以单位量1代表三角载波的幅值UC,则正弦调制波的幅值UR就是调制比M.图中的三角波和正弦波都是经过向上平移单位量1得到的,与过横坐标轴得到的结果一致.利用底点采样,根据相似三角形原理,可得关系式
其中：
M是调制比,0≤M≤1;
ω为正弦信号波角频率;
tD为在三角波的负峰对正弦信号波的采样时刻;
δ是开通时刻脉冲宽度;
Tc为三角波载波周期.
因此可得开通时刻的脉冲宽度:
其中N为载波比,2π/N三角波周期TC所对应的弧度,K为一个周期内采样计数值.由以上分析得比较单元1的比较寄存器的值为
式中Tt为通用定时器1的时钟周期.
二、系统硬件设计
本系统采用ATMEL公司的ATmega16单片机作为数字控制系统的核心,利用ATmega16产生SPWM信号并进行电压采样处理.
逆变电源系统主电路采用单相全桥逆变电路,由4个IGBT作为功率管组成全桥逆变电路，该电路具有控制方便，功率管利用率高;控制方式采用全数字的控制方式.系统结构框图如图2所示.
图2 系统结构框图
本设计电路为单相全桥逆变电路,如图3所示,主电路是典型的AC-DC-AC逆变电路.20V交流电后面接全波整流电路，（桥堆整流，电容滤波）整成直流滤波后约有27VDC左右，然后接一个LM317，用适当电阻调压就可以得到平滑的12V直流电.然后再由逆变电路将其转变为频率可调的20V交流电压！
图3.0整流滤波电路图
图3单项全桥逆变电路
由单片机对LC滤波后电压经过整流滤波后进行AD采样,采样所得的数据输入到ATmega16单片机,由ATmega16芯片对数据进行处理,并输出相应的SPWM信号给驱动电路,控制逆变器的输出.对系统工作温度,电流进行监测,保护控制系统电路,设有键盘、控制频率及幅值,同时显示模块,用于显示系统工作状态.
此系统的控制核心电路是ATmega16单片机电路,主要完成以下2个方面的工作:
1）输出SPWM控制信号到驱动电路,控制逆变桥的通断.IR2110采用高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。
;2）对输出电压进行AD采样.
1）SPWM驱动电路图如下：
栅极电平箱位电路
图3.1IR2110驱动电路
2）AD采样电路图如下：
图3.2电压信号采样和过压保护电路
ATmegal6单片机内集成了8通道10位的A／D转换器，故采样得到的电压信号经过前置电路处理后直接送入单片机中进行A／D转换。
设计如上：
反馈电压的采样见图3.2，为使采样系统与高压电路隔离，先用分压比为100：
1高精度温度敏感系数低的高压电阻分压器取样0～500V的电压输出，再经霍尔电压传感器转换为0～5V的输出。
为防止反馈电压对A／D转换器件的冲击，输出电压经过LM741同相跟随器（作缓冲用）后，一路经电容去耦接到单片机的A／D转换ADO口；另一路输出电压通过电压比较器LM311，与设定的电压（电压值由稳压二极管决定）进行比较，一旦输出电压高于设定电压，LM311输出便翻转为高电平，接到IR2113的SD端关断IR2113的输出，同时单片机内部通过软件关闭PWM输出，实现系统的两级过压保护。
电流-电压变换电路
经典电路。
输入电流在R1上产生Uin，由运放作为电压跟随器输出，视输入电流及输出电压确定R1，注意精度及温度系数。
切记调整运放的失调电压。
将数据输入单片机进行处理,调节输出,实现闭环控制.由于系统不仅输出SPWM波,还包含了低次以及高次谐波,为了最终输入标准正弦波就必须设置滤波电路,本设计采用了LC滤波电路,如图4所示,称为固定K型低通滤波器.
图4 LC滤波电路
其截止角频率为:
R为公称阻抗,设截止频率为fc,则有:
三、系统软件设计
软件设计的关键部分之一是控制电路中SPWM信号的产生,本程序采用了以三角波作为载波、正弦波作调制波的对称规则采样法,得到一系列幅值相等但宽度不等的矩形波.矩形波的占空比使用在线计算的方法.
设N为载波调制波比,即有N=fC/fR.其中fC为载波频率,fR为调制波频率.本系统利用ATmega16的T/C1产生SPWM信号,所以载波频率可由下面的公式计算:
其中,变量N代表分频因子（1、8、64、256或1024）,fclk_I/O是MCU时钟.
设M为调制深度,即有M=UR/UC,其中UC为载波幅值,UR为调制波幅值.M一般取值范围为0～1.改变调制波的幅值,就能使输出的基波电压幅值发生变化.
由规则采样法的原理,假设一个周期内有N个矩形波,则第i个矩形波的占空比Di为
通过设置ATmega16的T/C1,利用上述公式计算出占空比,并与T/C1的TOP值相乘,并形成一个正弦表,然后将数据送到比较寄存器OCR1B中,配置单片机I/O口寄存器,在PD4口输出SPWM信号.整个SPWM产生程序流程图及实时反馈图如图5,6.
常用的正弦调制法分为同步和异步调制法.异步调制法的输出波形对称性差,脉冲相位和个数不固定;同步调制法在调制波的频率很低时,容易产生不易滤掉的谐波,而当调制波频率过高时,开关元件又难以承受.为得到特性较好的正弦波,软件设计时采用了分段同步调制法,吸收上述两种方法的优点,且很好地克服各自的缺点.其具体操作为:
把调制波频率分为几个频段,在各个频段内保持载波比恒定,而不同频段的载波比不相同,通过配置单片机内部的载波频率实现输出基波频率的变化,即改变T/C1的TOP值,即可实现调频功能.选取的原则为:
输出频率高的频段采用低载波比,输出频率低的频段采用高载波比.同时,为了得到严格对称的双极性SPWM信号,载波比选取为3的倍数.本系统中将频段分成五段,具体见表1.软件设计的关键部分之二是输出电压的实时反馈,由于电网的波动或是负载的变化,可能导致输出电压的不稳定,因此在系统中加入PID增量数字闭环控制,以保证输出电压的动态稳定特性.
根据单片机编程需要,将上式做出如下改变:
其中Kp=1/δ是比例系数,KI=KpT/TI是积分系数,KD=KpTD/T是微分系数,结合PID闭环控制与单片机中的AD转换功能模块,可以很好地修正各开关周期的脉宽,达到动态稳定的目的.SPWM产生程序及输出电压的实时反馈程序流程图如图5,6所示.
图5 SPWM产生程序 图6 PI闭环控制
环境影响评价，是指对规划和建设项目实施后可能造成的环境影响进行分析、预测和评估，提出预防或者减轻不良环境影响的对策和措施，进行跟踪监测的方法和制度。
2）预防或者减轻不良环境影响的对策和措施。
主要包括预防或者减轻不良环境影响的政策、管理或者技术等措施。
1.建设项目环境影响评价机构的资质管理
3.意愿调查评估法
一、安全评价
（5）为保障评价对象建成或实施后能安全运行，应从评价对象的总图布置、功能分布、工艺流程、设施、设备、装置等方面提出安全技术对策措施；从评价对象的组织机构设置、人员管理、物料管理、应急救援管理等方面提出安全管理对策措施；从保证评价对象安全运行的需要提出其他安全对策措施。
对策措施的建议应有针对性、技术可行性和经济合理性，可分为应采纳和宜采纳两种类型。
3.划分评价单元
（2）防护支出法
3.规划环境影响报告书的审查效力
目前，获得人们的偏好、支付意愿或接受赔偿的意愿的途径主要有以下三类：
①从直接受到影响的物品的相关市场信息中获得；②从其他事物中所蕴含的有关信息间接获得；③通过直接调查个人的支付意愿或接受赔偿的意愿获得。
四、材料清单
模块
材料
型号
数量
备注
开光管
G4PH50UD
8
IGBT
肖特基二极管
1N5820-1N5822
8
续流二极管
IGBT驱动芯片
IR2110
4
整流二极管
1N4007
12
电容
0.1uf
8
电容
1uf
4
霍尔电压器
CHV25-P
1
集成运放
LM741
1
电压比较器
LM311
1
集成运放
LM317
2
普通二极管
10
稳压芯片
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