基于单片机的三相spwm逆变电源设计                  
中文简要    本文论述是一种采用PIC16F1937单片机为核心的SPWM逆变电源，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，采用双极性调制方案驱动三相全桥逆变电路，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。其正弦波输出频率由单片机内部程序控制调节。另外本系统外接按键及液晶屏，按键能设定电源开始与停止，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。 关键词：SPWM，双极性调制，三相逆变，PIC单片机
Design of a Single-phase Inverter Power Supply  Abstract This article discusses a use PIC16F1937 microcontroller core of SPWM inverter, two internal microcontroller hardware PWM module generates SPWM pulse signal modulation scheme bipolar drive three-phase full-bridge inverter circuit controlled by a natural number look-up table, Output by the LC low-pass filter, and finally get a stable sine wave AC to the load. Its sine wave output frequency is adjusted by program control MCU. In addition the system external buttons and LCD screen, power button can be set to start and stop, the LCD screen can display real-time input voltage and output current, output sine wave frequency, so that the security and stability of the system has been greatly improved. Key words: SPWM, bipolar modulation, phase inverter, PIC microcontroller 
目录 1 前言 1 1.1 研究目的及要求 1 1.2 相关研究现状及前景 1 1.3内容章节概述 1 2 系统分析 2 2.1 逆变器的基本概念与工作原理 2 2.2 逆变器的基本类型 3 2.3 PWM控制技术 4     2.4 SPWM逆变器的工作原理 3 硬件设计 5 3.1总体原理图 6 3.2电路原理图 6 4 程序设计 11 4.1 程序选择说明 11 4.2 SPWM查表 11 4.3  C51程序结构流程图 11 5 系统测试 13 5.1单片机输出PWM的测试 13 5.2测试结论 17 6总结 18 6.1 结论总结 18 6.2 存在问题 18 6.3 小结心得 18 附录： 19 参考文献 22 致谢 23  

 前言

1.1 研究目的及要求

掌握正弦波逆变器的电路的组成，重点明白其中中各元器件的原理及用处，对正弦波逆变电路在电阻负载、电阻电感负载是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。 最初的逆变电源用的是晶闸管作为逆它的开关器件，称为可控硅逆变电源，但是因为早期晶闸管没有自关断的能力，即使增加了换流电路使其拥有了这种能力，但换流电路的复杂结构和极低的效率等原因却使逆变电源下一步的发展进退维谷。 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，但也并不意味这他没有缺点，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。     随着近十年来新型电源控制技术的蓬勃发展，针对第二点逆变电源的缺点发明了实时反馈控制技术这也使得第三代逆变电源应运而生，三代逆变电源使用了这种技术又一次使逆变电源的性能提高了，同时还弥补了第二代的缺点，这种技术到目前为止还在不断地被完善，实时反馈控制技术拥有许多种，基于对动态性能和适应性等方面的考虑目前被广泛采用的技术是带电流内环的电压瞬时值反馈控制。  

1.3内容章节概述

本文主要从系统分析、硬件设计、程序设计和实验测试四个方面阐述“三相SPWM逆变电路的设计”。开始概述逆变器基本概念原理和SPWM控制技术，硬件设计介绍本次设计系的统结构框图，简要说明了单片机的选型、半桥驱动电路等，软件设计主要说明本设计的程序流程图；实验部分通过对设计电路的测试，说明试验结果。

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

      如图所示，本电路由两部分组成,将交流转化为直流的这个部分属于整流,整流器的作用是把交流电转化为直流电，这个过程可以是不可控的，也可以是可控的，这部分采用不可控的二极管将交流变成直流。整流之后采用用电容进行滤波,滤波器的作用是将波动的直流量过滤成平展稳定的直流量,整个过程无论是从结构上还是性能上都能满足实验要要。最后直流变交流的部分为逆变部分,逆变器的作用是将直流电转化为交流电经过电感滤波后然后供给负载,这里的LC滤波是为了滤除高次谐波，得到到正弦波，而逆变器因为它输出的电压和频率与输入的交流电源无关所以为称为无源逆变器，它是正弦波逆变电路的核心，这里采用采用三相桥式逆变电路,用PWM控制调节输出电压及频率的大小。

2.1.2常用的逆变器调压方法：

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，就可达对输出的电压进行调节，这种方法被称为脉宽调制（PWM）。

2．2逆变器的基本类型

   如果是直流输入端滤波器，那么它可以分为两种，分别是电流型和电压型，其中电流型逆变器它的中间部分采用的是大电感进行滤波，这样的输入电流的特点是具有阻抗大电流平，就仿佛似电流源，而电压型逆变器的中间部分则采用大电容进行滤波，这样的逆变器的输入电压的特点是阻抗小且电压平直，就仿佛电压源。而如果按电子开关的频率进行区别则同样可分为 两种分别是120°的导电型逆变器和180°的导电型逆变器。  

2．3  PWM控制技术

PWM控制技术翻译过来就是脉宽调制技术，它是原理是假如有一系列的脉冲想要变成需要的波形，那么就可以通过等效法对脉冲的宽度进行改变来等效着获得需要的波形，波形包含形状和幅值，这种控制的想法来源于于通信技术。随着全控型器件的飞速发展可以十分轻松的把PWM控制技术实现，而且这种PWM控制技术在电力电子类方面的用处非常大且极其普遍，各种电力电子装置通过使用它而在性能方面得到了极大的改变，所以它在电力电子技术的整个历史拥有着举足轻重的地位，而PWM控制技术能在电力电子技术中拥有这种举足轻重的地位主要还是因为它在逆变电路中被完美的应用了，直到目前为止PWM控制技术被普遍采用与各式各样的逆变电路。   2.3.1  PWM控制技术的面积等效方法   PWM控制技术的理论基础就是面积等效法，而面积等效法的核心思想就是假如把一系列具有相同冲量但是形状不一的窄脉冲施加在一个具有惯性的环节上，那么它们的效果就基本上是一样的，在这里相同的冲量其实就是相同的面积如图2.3.1。     2.3.1正弦波正半周的等效PWM波图          在正弦波的负半周上使用等面积法依旧可得到PWM波形，所以在一个完的整周期内正弦波的等效PWM波如图2.3.2所示。   2.3.2单极性调制等效正弦波的SPWM波图      目前还有一种被采用更多的等效方式，用的也是等面积发如图2.3.3所示。 2.3.3双极性调制等效正弦波的SPWM波图 2.3.2  基于PWM控制技术的逆变电路            至今为止PWM控制技术已被运用到了大多数的逆变电路之中，这种逆变电路既有电流型又电压型而后者被用到的更多。有两种方法法可以获得PWM波形，它们分别是通过计算获得和通过调制获得，其中前者是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；而后者是把调制信号的比作想要输出的波形，通过对信号进行调制来得到想要的PWM波形。   2.3.3   双极性PWM调制技术         按一定方法对电压的输出脉冲列里面的各脉冲宽度进行改变从而使得使电压的输出脉冲列在周期内的时间相对于均值按正弦的规律变化，这就是SPWM，这种技术把等腰三角波电压当做载波信号，而调制信号则用正弦波电压，最后把这两种信号进行比对，以此来确定每个分段的矩形脉冲的宽度。 因为三角波和正弦波的区别主要源于它们的极性是不一样的，所以可以把SPWM分为单极性和双极性的，在这次设计中采用的三相桥式逆变电路，这种逆变电路两种调试方式都可以使用，在这里采用了双极性PWM调制技术的方法，它的原理如图2.3.4所示。                       2.3.3双极性PWM原理   在采用双极性PWM调制技术时候,把信号波用这种方法得到的交流正弦输出波替代同时把载波用三角波替代,将这二者进行对比，各开关的通断在这两种波的交点时刻进行改变，由此可以看出在信号波的一个周期内,无论是载波还是调制来的输出波形都是正负皆有,所以它其输出波形具有±Ud两种电平，把信号波和载波分别用ur和uc来表示，当信号波大于载波的时刻,同时施加开通和关断信号，其中开通信号给V1和V4关断信号给V2和V3,此时如果io是大于零的那么V1和V4开通反之则是VD1和VD4开通,但是它们的电压输出都是uo等于Ud。同理当载波大于信号波的时候,那么用同样的方法可以得到V2和V3或着VD2和VD3开通的结果,不同的是它们的电压输出却是uo等于负的Ud。   2.4  SPWM逆变器的工作原理   SPWM逆变器的主题思路就是有一个逆变器，希望它输出的电压波形是正弦的，因为至今为止以现在的技术造出的可以改变频率和电压的逆变器无法像正弦波逆变器那样的小体积大功率且输出波形光滑。 现在的SPWM逆变器都采用的是等效原理实现的，即让逆变器输出的波形是一系列的和正弦波一样效果的虽不等宽但等幅的矩阵脉冲波形，它的主题思想方法就是等面积法。             3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总体原理图

本系统主要采用的硬件滤波电路、三相全桥逆变电路、LC滤波器、单片机、按键设置电路、显示模块、电压检测电流，电流检测电路以及一些外围电路，具体系统框图如图3.1所示。    3.1系统框图

3．2电路原理图 

  3.2主回路原理图 从图3.2中可以看出，直流电输入后，先通过2个电容串联构成的滤波电路，得到输入电压的一半作为中点电位，作为三相输出的参考地。在逆变的部分采用了6个金属氧化物半导体管（即MOS管）组成了一个三相桥式逆变电路，最后使用用双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，最后在负载就能获得三相的纯正弦波交流电压输出。

3．2．1单片机的选择

本设计所采用的单片机是PIC16F1937，它能使系统的到充分的实现，内部自带高精度（1%）内部振荡器，它还拥有35个I/O口，该单片机内置上电复位电路，有14路10位ADC模数转换、每个I/O能设置成输入输出模式，并且具有具有5路PWM输出，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制。且性价比高，抗静电，抗干扰，低功耗，低成本。  

3．2．2 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。 通过2个电容串联构成的滤波电路，得到输入电压的一半作为中点电位，作为三相输出的参考地。  

3．2．4 母线检测电阻

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，由于=12V，而单片机的采样电压最高位5V，故采样电阻比例                          (3-3) 这里取R1和R5是470K 和4.7K，                        (3-4) 1<2,所以满足条件。 当311V输入时，单片机检测到的电压是，                     (3-5) 电压检测电路如下  

3 ．2．5 场效应管的选择

如图3.3所示的三相全桥电路，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。由于是市电接入所以要选用拥有足够大耐压值的场效应管，本设计选用75NF75场效应管即75A 75V的场效应管，这种场效应管无论是从耐压方面考虑还是从通断时间方面考虑都能满足设计的要求。   3.3三相电桥的电路 3．2．6 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。 3.4三极管分立元件驱动电路   方案二： 半桥式驱动电路，本全桥驱动电路采用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且降低了设计难度。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道，只要电容C选择恰当，该电路运行稳定。 3.4基于IR2104的半桥驱动电路   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。

3．2．7电流检测电路

方案一：霍尔电流传感器。电流流过霍尔传感器的线圈产生磁场，磁场随电流的大小变化而变化，磁场聚集在磁环内，霍尔元件输出随磁场变化的电压信号。通过检测电压值得到电流的大小。 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。本设计采用如下图所示的电流电压检测电路。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。   为了使用者的安全，我们设定保护电流为2A，即电流超过2A，系统进入保护状态。本设计采用电阻分压的方式对各个开关电源模块的输出电压进行检测，由于采样电压直接输送给单片机10位ADC进行检测，单片机所能检测的最高电压为5V， 358由5V电压供电，最大输出电压和供电电源电压之前有1.2V压差，所以能输出最大电压为：                     (1-1) 2A电流经过0.025Ω电阻得到的电压为                     (1-2) 该电压要经过放大后才能更容易被单片机检测到，在这个应用中运放的放大倍数应该小于                        (1-3) 这里选择R22和R20为33K和1K，放大倍数为                        (1-4) 11<70, 符合设计要求。 即当电流为2A时，运放输出电压为：                     (1-5)

3．2．6显示模块选择

系统采样1602液晶显示。液晶驱动电流较小，能显示较大信息量，无需增外设电路。 能显示多行数据，方便用户进行更多的操作。  

3．3小结

综合以上的分析论证，本设计采用PIC16F1937单片机作为控制系统，然后通过单片机通过自然数查表法控制内部的三路硬件PWM模块生成SPWM脉冲信号，采用双极性调制方案驱动三相全桥逆变电路，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。同时，液晶通过电流电压检测电路实时显示运行状况。