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毕业论文基于单片机的变频变压电源设计可编辑
（毕业论文）基于单片机的变频变压电源设计
中文摘要
摘要
通过整流和逆变组合电路实现的软开关变频变压技术，是当今电力电子学领
域最为活跃的研究内容之一，应用十分广泛，主要应用在交流电机调速和供电电
源等领域。
电源在任何电子设备中都有着极其重要的地位，然而各种用电设备所
需要的电能形式却不同，因此，对变频变压电源的研究具有十分重要的理论意义
和工程实用价值。
频率50Hz的工频电，经整流、滤波变成直流电，再逆变成电压110V～220V频率
40Hz。
70Hz可调的交流电，供给电子设备使用。
本设计采用单极性等面积正弦脉
宽调制法和混合查表法，通过软件计算产生SPWM控制信号，同时对输出电压有
效值进行实时采样，形成闭坏控制系统，从而实现了变频变压的全数字化控制。
由单片机发出的控制信号，经自举式浮充电路放大后给电力场效应管提供栅极驱
动，通过开关器件的导通与关断，实现对直流电的逆变过程。
同时，为保证安全
可靠运行，系统还具备了输出过电流、输入欠电压、过热等自我保护功能。
该设
计方案结构简单、功能齐全，满足了当前开关电源的高频化、模块化、数字化、
绿色化的发展趋势，具有波形好、体积小、效率高、精度高、可靠性强、输入范
围宽、变频范围广的特点，具有很好的实用价值。
本文先对变频变压电源的结构和原理进行了介绍，然后分别以系统主电路模
块、驱动和外围模块、控制模块为核心，详细说明了各部分的软硬件设计原则，
最后给出实验结果并对输出波形和效率进行了分析。
实验证明，本设计切实可行，
指标基本达到要求。
关键词：
单片机；变频变压电源；正弦脉宽调制；电力场效应管
英文摘要
ABSTRACT
Softvariablevariablewhichrealized
switchingvoltagefrequencytechnologyby
thecombinationofrectifierandinvertercircuitisoneofthemostactive
researchin
haswideof
electronicsaACmotor
today’Spowerfield，itrangeapplications，including
controlandetc．areas．Powerhasan
speedpowersupplysupplyextremelyimportant
inelectronicneededis
positionanyequipment，however,theformⅡley
energy
variable
researchonvariable
different．Therefore，thevoltagefrequencypowersupply
isoftheoreticalandvalue．
greatpractical
AVVVFbasedon18F443
powersupplysystemmicrocontrollerPIC1is
inthisthesis．Theoftheis220V50Hz
powerAC，
presentedinputsupplypublicgrid’S
rectifierandfiltercircuittransformintoinvertertoACwhich
throughDC，then
from110Vto220Vandfrom40Hzto70
amplituderangedfrequencyrangedHz，then
tootherdevice．Asinusoidalwidthmodulationand
outputunipolarequal-areapulse
tablemethodsareusedinthistoSPWM
hybridlook-updesignsignal
generateby
softwarereal―timetheRMSoftoformclosed
calculating,andsamplingoutputvoltage
controlcontrolofthe、厂、厂、，Fisrealized．Thecontrol
loopsystem，SOdigitalsignals
channeldrivetoPower
drive
amplifiedbyfloatingbootstrapcircuits，thenprovidegate
turn-onandturn?
?
offtherealize
MOSFET,throughswitches，to
ensurethesafeandreliable
operation，alloutputover-current，inputunder-voltage，OVer
andotherselffunctionisalsocontainedinthe
heatingprotectionsystem．Thedesign
hasmeetsthetrendof
simplefunction，and
structure，completedevelopmenthigh
andhasthecharacteristicof
frequency,modularization，digitizationgreening，andgood
waveform，small
size，highefficiency,highprecision，highreliability,wide
inputrange
andwidehasavalue．
outputfrequencyrange，andgood
practical
The
structureandoftheVVVFisintroducedinthis
principlepowersupplyfirstly
thenaroundthemaincircuitandexternal
paper,andmodule，drivemodule，control
of
detailsthehardwareandsoRwareis
module，thedesignprinciplediscussed．Finally,
theofthesuchaswaveformandwere
outputparameterspowersupplyefficiency
resultsindicate
testthattheofVVVFisfeasible
analyzed．Thedesignpowersupply
英文摘要
andtheisachieved．
goal
basically
Words：
Microcontroller；VVVFMOSFET
Keypowersupply；SPWM；Power
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本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，
撰写成博／硕士学位论文基王望丘狃的童麴变压电源递进。
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确方式标明。
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乡。
辟L翩张：
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日期．刎。
年‘月刁日
基丁．单片机的变频变压电源设计
第1章绪论
1．1课题目的及意义
电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器。
我们的衣食住行离不
开电源，科学研究、工农业生产、办公学习、文化娱乐、交通、医疗等等，哪一
样也少不了电源。
一般来说，电源可以分为三类【1】：
1电能由其他能量转换而来，如水力、火力、风力发电等，一般这种电源称
为一次电源；
2电能传输过程中，在电源和负载之间对电能进行变换或稳定处理，如整流、
升压等，一般这种电源称为二次电源；
3平时把能量以物理、化学形式储存起来，使用时再变成电能提供给负载，
比如人们所常见的各种电池，一般称此为物理、化学电源。
任何电子设备都离不开电源，然而，种类繁多的各式用电设备对电能源的要
求却迥异，很多并不是直接使用公用电网作为电源，而是通过各种形式对其进行
变换，从而得到各自所需的电能形式。
由此可见，二次电源在电源当中起到了很
重要的作用，因此，目前在电源技术领域中应用最为广泛，主要研究如何利用电
子技术对电功率进行变换及控制，它广泛采用了电子、电磁、计算机和材料等技
术与学科理论，具有很强的综合性。
本课题所做的变频变压电源即属此类。
变频变压电源，是将市电通过功率变换电路转变为所需要的电压和频率的一
种电源，如今已在国民经济的各行各业中得到了广泛的应用，比如：
1各种进口设备。
各国的工频电形式不同，如美国采用120V／60Hz交流电，
在国内运行必须通过变频变压供电；
2交流电机调速。
交流电机变频调速具有调速平滑、调速范围宽、效率高、
特性好、结构简单、机械特性硬、保护功能齐全、运行平稳安全可靠、在生产过
程中能获得最佳速度参数等优点，是理想的调速方式。
且有数据表明，交流电机
用于风机、水泵全额运行时，采用变频调速能节电30％，因此这也是国家重点推
第1章绪论
广的技术【2】；
3JxL力发电。
直驱型风力发电机组的发电机轴直接连接到风轮上，其转子转
速随风速而改变，所产生的交流电频率也随之变化。
需采用大功率电力电子变流
器，将其整流为直流电，再逆变成与电网频率相同的交流电输出。
通过中间电力
电子环节，可对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效
率的利用风能；
4实验室、航空、军事、铁路等特殊场合。
变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点而受到人们的青睐。
近
年来随着工业自动化产业的高速发展，人们对变频电源的需求与日剧增，变频电
源的研发、生产已发展成为前景十分诱人的新兴产业。
1．2国内外研究情况综述
1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管标志着电力电子学的诞生；到
上世纪70年代后期，功率场效应管powerMOSFET开始进入实用阶段，标志着
电力半导体器件在高频化进程中的一次重要进展；在80年代后期，以绝缘栅双极
性晶体管IBGT为代表的复合型器件异军突起，它把MOSFET的驱动功率小、开
关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，
为实现变频电源的高频化和高性能提供了物质基础；随着软开关技术的成熟，工
业用的高速数字信号处理器DSP的发展，作为变频器核心的正弦波逆变器的控制
技术方案也正在由传统的模拟控制向现代数字化控制的方向发展【3，41。
目前，变频变压电源正朝着以下几个方向发展：
1高频化
电气设备的变压器、电容和电感的体积、重量与供电频率的平方根战反比，
当我们把频率提高，设备的体积、重量将显著下降【51。
因此提高电子器件工作频
率能带来显著的节能、节水、节约成本的经济效益。
2模块化
由于频率的不断提高，导致引线寄生电感、寄生电容的影响越发严重，产生
过电压、过电流毛刺等问题‘61。
为增强系统的可靠性，许多厂商开发了用户专用功
2
基于单片机的变频变压电源设计
率模块，将一台整机以集成芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再由
传统的引线连接，以达到优化的效果。
3数字化
随着数字信号处理技术的日趋完善，基于数字技术的电力电子技术逐渐取代
了原来基于模拟电路的技术，并显示出其优势：
便于计算机处理控制、减小杂散
信号的干扰、避免模拟信号的畸变失真，也便于自诊断、容错技术的植入【71。
4绿色化
许多功率电子节电设备，常常容易形成对电网的污染，向电网注入严重的高
次谐波电流，从而降低总功率因子，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺
角和畸变。
因此电源系统的绿色化不仅是要显著节电，减少对环境的污染，还应
规定该电源不能或少对电网产生污染，国际电工委员会IEC对此已制定了一系
列标准，如IEC555、IECl000、IEC917等。
1．3变频变压电源的分类及技术指标
1．3．1变频变压电源的分类
变频电源基本上分为单相和三相两大类，单相逆变器适用于中、小功率，三
相逆变器适用于中、大功率。
这两大类又可按下面特点进行归类。
1按变流环节特点分类
交．直．交变频器：
将频率固定的交流电“整流”成直流电，再把直流电“逆变”成
频率任意可调的交流电；
交．交变频器：
把频率固定的交流电直接转换成频率任意可调的交流电转换前
后的相数相同。
2按输入电源特点分类
电压型VFI：
输入电源为恒压源；
电流型CFI：
输入电源为恒流源；
谐振环型：
谐振交流环和谐振直流环。
3按调制特点分类
第1章绪论
脉宽调$1JPWM变频器：
电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的；
脉幅调$1JPAM变频器：
电压的大小是通过调节直流电压幅值来实现的。
4按电路结构特点分类
全桥式；
半桥式；
推挽式。
1．3．2变频变压电源的技术指标
变频变压电源的技术指标，一般有输入电压、输入频率、输出电压、输出频
率、额定容量、频率精度、网侧功率因数、防护等级、负载稳压率、波形失真率
及可靠性等【81。
其中输出电压波形的质量，可由如下参数来评定：
1谐波因数HFHarmonicFactor
第n次谐波因数HE．，指第n次谐波分量有效值与基波分量有效值之比，即
HFn鲁1．1
HarmonicDistortion
2总谐波畸变因数THDTotalFactor
总谐波畸变因数THD，指各次谐波分量有效值平方之和开方与基波分量有效
值的比值，即
THD专∑叼i1．2、’
U、盖毛”
THD表示了实际波形与基波分量接近的程度，理想正弦波的THD等于零。
1．4本文主要研究内容
本文研究的是电源的变频变压技术，其核心内容为逆变技术。
本课题所研制
的电源主要功能是为各进口设备提供电源，设计要求为：
输出电压110V～220V可
护、过流保护等功能，且体积应尽可能小，可靠性高。
本文主要内容如下：
4
基丁．单片机的变频变压电源没计
绪论主要介绍了本课题研究目的和意义，变频变压电源技术的国内外现状及
发展趋势，给出了一些常用技术指标，并说明了设计要求。
第二章着重介绍了系统的基本结构和框架，以及各模块的功能细分。
此外还
对变频变压实现的原理和控制策略进行了阐述，并对系统所需电压、功率进行分
析，设计了辅助电源。
第三章详细论述了变频变压电源主电路的设计根据，其中包括输入整流滤波
设计、逆变电路的开关管选取、缓冲电路的设计以及输出滤波器的设计，并给出
了部分电路原理图。
第四章介绍的则是连接主电路与控制系统的驱动电路以及保护等外围电路，
包括自举式浮充的原理，驱动电路、输出电压检测电路、过电流保护电路、过热
保护电路、键盘显示等电路的设计，最后对硬件抗干扰设计做出了说明。
第五章主要讲述了控制系统与软件的设计，是本文的核心。
分别对如何用单
片机产生SPWM脉冲，如何用单片机实现数字PID控制进行了理论分析，并给出
本次设计的主程序、时基中断程序、采样保护程序以及键盘、显示程序等，最后
还对软件抗干扰设计做出了说明。
第六章为实验结果分析，对本设计的电源各级输出波形进行了分析，并给出
了电源输出波形及外观图片。
最后是对全文的总结和展望。
5
第2章系统基本结构及工作原理
第2章系统基本结构及工作原理
2．1系统的基本结构
从结构上看，变频变压电源有直接变频和间接变频两大类。
直接变频又称为
交．交变频，它将工频电直接转变为频率可控的交流电，中间没有直流环节；而间
接变频又称为交．直．交变频，是将工频电通过整流转换为直流再经过逆变将直流
转换为频率可变的交流的一种变频形式。
交．交变频过程与可控整流器一样，不需附加换流元件，原理简单，运行可靠，
且为一次变流，具有较高效率，还能实现四象限运行【9】。
但是该方法使用晶体管
数量较多，主回路复杂，且输出频率受电源频率限制，一般不能高于电网频率的
1／2，与本课题要求的40～70Hz变频的要求不符。
而交．直．交变频是目前变频变压
电源的主要形式，该法需通过AC／DC和DC／AC两次电能转换，效率稍低，但前
级工频电干扰不会影响到后级，输出波形好，变频范围宽，因此本设计采用的是
交．直．交变频方式。
系统框图如2．1所示。
图2．1变频变压电源结构框图
V、n，Fchart
Fig．2．1powersupply
下面根据变频变压电源的基本结构来进行详细说明。
6
基丁单片机的变频变压电源殴计
2．2系统任务及功能细分
1输入AC／DC电路
整流电路是一个单相AC／DC变换电路，功能是把220V／50Hz的市电进行整
流滤波后转换成稳定直流电输入到直流母线上。
该整流还具有EMI滤波功能，对
电网污染进行双向隔离，以提高整机的电磁兼容性能。
2DC／AC逆变电路
逆变开关电路是本变频变压电源的关键，也叫做逆变电路，其功能是将直流
母线上的直流电转换成为交流电。
通过电力电子开关器件对直流电压的导通和关
断，可完成逆变功能。
而开关器件所需要的PWM控制信号由控制单元所产生，
经过光电隔离驱动。
3输出滤波电路
由于逆变电路所产生的交流电存在高频谐波，因此为得到波形良好的正弦
波，低通滤波器必不可少。
4辅助电源
该电路给单片机控制单元提供稳定的+5V电源，给驱动电路提供+12V电源，
并保证该电压稳定，避免造成控制单元不稳定或开关器件的误操作。
5驱动电路
开关器件基极门极、栅极驱动电路是电力电子电路和控制电路间的接口，
是变频变压电源的重要环节。
采用性能优异的驱动电路，可缩短开关器件的开关
时间，减小开关损耗，使其工作在较为理想的开关状态，这对提高电源的效率、
可靠性、安全性都有重要意义。
6反馈电路
对于具有良好稳压特性的变频变压电源而言，必须从负载端采样电压值，反
馈给控制器以形成闭环控制从而稳定输出电压，同时还需测量负载电流以调节输
出和保护器件，因此一种精度高、可靠性高、响应时间短、功耗低、体积小的检
测电路则显得尤为重要。
本设计同时对过电流、欠电压、过热信号进行反馈处理，
具有一定自我保护功能。
7
第2章系统基本结构及工作原理
7控制电路
控制电路是变频变压电源的核心电路。
该电路采用PICl8F4431单片机作为
控制器实现智能数字控制，其主要功能为：
产生高频SPWM调制信号给功率变换
电路；对采样来的电压值进行计算并调整输出脉冲调制深度以达到稳压效果；对
过流、欠压、过热等故障信号进行处理以保护本身器件以及人身安全；操作人机
接口，获取人为设定的频率和电压信息，同时显示当前波形信息及温度信息。
8人机接口
包括按键输入和LCD显示输出。
键盘用于设定电压和频率值，而LCD显示
则动态的显示当前电压情况以及电源本身的温度情况。
2．3变频变压电源的控制策略
2．3．1正弦脉宽调制的原理
在阐述PWM技术原理前，需提到采样控制理论中的一个重要结论：
冲量相
等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上的效果基本相同。
所谓冲量，即指
01。
窄脉冲的面积。
效果基本相同，是指该环节的输出响应波形基本相同【1
如图2．2a、b、c所示，三个窄脉冲形状不同，但它们的面积即冲量都为1，
其中2．2a是矩形脉冲，2．2b是三角脉冲，而2．2c贝JJ为正弦半波脉冲。
根据上述
结论，当它们分别加在同一惯性环节上，其输出响应基本相同。
图2．2d所示为等
效于窄脉冲的单位脉冲函数万f。
图2．2形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
Narrowindifferentbutsame
Fig．2．2pulsestypeimpulse
基于单片机的变频变压电源设计
上述原理可称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。
同理，
也可以利用一系列等幅不等宽的矩形脉冲序列来代替一个正弦半波。
其原理如图
2．3所示：
a
b
图2．3SPWM脉冲代替正弦、卜波
SPWMwaveinsteadofhalfsinewave
Fig．2．3Using
如图所示，把正弦半波分为Ⅳ等份，每一段宽度等于÷，则正弦半波可看
N?
?
彩
成由一连串脉冲序列组成，这些脉冲的幅值不同，是按正弦规律变化的。
如果把
该脉冲序列用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲替代，同时要求每一段矩形脉
冲和相应的正弦波部分面积相等，可得到如图2．3b所示的脉冲序列。
这就是PWM
波。
由图可看出，各脉冲的幅值相同，而宽度则按正弦规律变化。
根据面积等效
原理，图中的PWM波形是等效于正弦半波的。
同理，也可以用相同方法得到与正弦波负半周等效的PWM波形。
像这种与
9
第2章系统基本结构及jr作原理
PWM波形。
2．3．2正弦脉宽调制的控制方式
SPWM信号可采用调制方法来产生，即把所希望的正弦波作为调制信号，把
接受调制的三角波信号作为载波，通过对载波的调制得到所希望的PWM波形。
这罩采用等腰三角波作为载波的原因是它上下宽度与高度呈线性关
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