单相正弦波逆变电源设计硬件子系统
本文阐述是以单片机STC12C5A60S2为核心控制的单相正弦波逆变电源，它是一种能够将输入的直流电逆变成稳定的交流电输出的装置,整个系统包括整流、逆变、滤波、稳压以及单片机控制的其他外围电路。系统所用单片机内部拥有两路硬件PWM模块，它可以利用自然数查表法来控制这两路模块生成SPWM脉冲信号。而逆变部分则采用的是单相全桥逆变。系统配有液晶显示屏，能够实时反映电路工作参数，同时还有按键电路，以供参数调节。另外，为了保证逆变电源安全稳定的工作，系统还配有相应的检测、保护电路。在设计制作完成后，对系统进行测试发现整个系统在运行过程中性能稳定良好，基本达到了技术指标的要求。关键词 逆变电源，SPWM技术，STC12C5A60S2单片机
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究目的 1
1.2 国内外发展情况 1
1.3 课题研究方法 3
2 单相正弦波逆变电源结构与技术原理 3
2.1 系统结构组成 3
2.2 逆变电源所用调压方式 4
2.3 SPWM技术的研究与分析 4
3 硬件电路设计 8
3.1 方案设计 8
3.2 功率电路设计 10
3.3 检测电路设计 16
3.4 辅助电源电路设计 19
3.5 键盘电路设计 20
3.6 显示电路设计 20
3.7 系统硬件电路小结 22
4 实物调试 22
致 谢 26
参考文献 27
附录A 硬件主电路电气连接图 28
附录B 单相正弦波逆变电源PCB 29
附录C 系统实物图 30
1 绪论
1.1 课题研究背景
在世界经济高速发展的今天，有限的常规能源短缺日益严重，而且分布不合理，这对各个国家的发展带来了很大影响，无法满足世界经济发展要求。从环境保护方面来看，一些常规能源在发电方面的使用所造成的生态污染问题也正日益加剧。能源的枯竭，环境的污染这两个问题都迟早是人类所需要面临的。因此通过现有的科技手段，改变能源结构，寻找情节的替代能源已经是人们 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
当务之急所需要解决的问题。
说到可再生绿色能源，水能、风能、太阳能等往往被人们所熟知。但这些能源都会受限于地理、天气等自然因素，而电能却可以克服这些条件因素，从当前来看，电能确实也是全社会各行业发展的首选能源之一。它广泛普及我们生活中，为人类社会创造巨大收益，同时也给人们生活各个方面带来诸多方便。而电源作为一种孕育而生的电子产品，在生活中得到了广泛应用，同时它也不像传统能源那样会产生许多污染。在现有的各类电源里，日常生活中我们所熟知的蓄电池、太阳能电池等电源都是直流电源，而这些电源往往无法直接给交流负载使用，一般人们的做法是通过直流逆变来给交流负载使用。这里就涉及到了电流的转换和优化问题，而逆变电源正是这样的一种电源转换装置。可以把不同的直流电转换为诸如220V、50Hz这样类型或其他不同类型的交流电。转换后的交流电可供电气设备的使用，并能够很好的满足移动供电厂所以及电能缺乏的地方的需求。逆变电源有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器等[1]。在太阳能及风能发电领域，逆变电源有着不可替代的作用。小型逆变电源还可以利用汽车、轮船、便携供电设备，在野外提供交流电源[1]。
从以上来看，逆变电源的应用，能够在很大程度上解决能源短缺，环境污染等问题，并为国家经济发展以及个人生活带来很大的动力及便捷。于是研究和发展逆变电源技术成为当下工作的重点。
1.2 国内外发展情况
逆变电源大约在上世纪60年代问世，做所周知，当时正值电力电子技术发展的黄金时期，大量电子器件得到了飞速发展，这也直接推动了逆变电源的产生及后续发展，因此可以说电力电子技术和逆变电源这两者之间有着密不可分的联系。从上世纪60年代的出现到现如今，逆变电源已经走过了整整三代的发展路程。而随着技术的提升，逆变电源技术还有可能更进一步的发展。
初代逆变电源以晶闸管（可控硅整流器）来作为它的开关器件，因此人们又称其为可控硅逆变电源，而晶闸管是一种没有自关断能力的器件，在电路中使用时要考虑关断方式问题，因此需要在其中增加换流电路来强迫关断晶闸管，但这种换流电路存许多在缺点，如电路复杂，体积大，效率低噪声大等，这样就使得逆变电源的进一步发展得到了约束。
大约在上世纪70年代末，半导体制造技术和变流技术飞速的发展起来了，许多自关断器件随之诞生，如电力晶体管、可关断晶闸管、功率场效应管等，自关断器件作为开关器件在电路中得到了广泛的使用，这样就很大程度上促进了逆变电源更进一步的发展，而以自关断器件作为开关器件的逆变电源的出现标志着第二代逆变电源正式诞生。由于这种器件的使用，逆变电源在性能方面得到了非常大的提升，相对于第一代逆变器，第二代具有自关断功能，这样就能节省在第一代中所需要的换流电路，整个电路便得到了很大简化，不仅如此，逆变器的性能也因为自关断器件的使用而得到了极大的提升。第二代逆变电源采用带输出电压有效值反馈的SPWM控制技术来控制，其结构简单，性能良好，线性负载适应度高。虽然有诸多长处，但同时也存在不少短处，这是因为它没有去顾及信号在传送过程当中开关点所发生的变化及负载所产生的影响，如果负载为非线性，那么就没有很好的适应力，电压输出波形便会因此产生畸变；再者由于缺少瞬时值的反馈，输出的电压波形也会发生畸变；除此之外，控制不到的时间域也使得波形发生畸变。由此来看，第二代逆变电源依然不是我们所最终追求的产品。
随着近十年来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，三代逆变电源由于使用了这种技术逆变电源的性能又一次得到了极大的提高，并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，实时反馈控制技术种类众多，主要有这几种：①重复控制；②谐波补偿控制；③无差拍控制；④单一的电压瞬时值控制；⑤带电流内环的电压瞬时值反馈控制[3]。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。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究目的 1
1.2 国内外发展情况 1
1.3 课题研究方法 3
2 单相正弦波逆变电源结构与技术原理 3
2.1 系统结构组成 3
2.2 逆变电源所用调压方式 4
2.3 SPWM技术的研究与分析 4
3 硬件电路设计 8
3.1 方案设计 8
3.2 功率电路设计 10
3.3 检测电路设计 16
3.4 辅助电源电路设计 19
3.5 键盘电路设计 20
3.6 显示电路设计 20
3.7 系统硬件电路小结 22
4 实物调试 22
致 谢 26
参考文献 27
附录A 硬件主电路电气连接图 28
附录B 单相正弦波逆变电源PCB 29
附录C 系统实物图 30
1 绪论
1.1 课题研究背景
在世界经济高速发展的今天，有限的常规能源短缺日益严重，而且分布不合理，这对各个国家的发展带来了很大影响，无法满足世界经济发展要求。从环境保护方面来看，一些常规能源在发电方面的使用所造成的生态污染问题也正日益加剧。能源的枯竭，环境的污染这两个问题都迟早是人类所需要面临的。因此通过现有的科技手段，改变能源结构，寻找情节的替代能源已经是人们 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
当务之急所需要解决的问题。
说到可再生绿色能源，水能、风能、太阳能等往往被人们所熟知。但这些能源都会受限于地理、天气等自然因素，而电能却可以克服这些条件因素，从当前来看，电能确实也是全社会各行业发展的首选能源之一。它广泛普及我们生活中，为人类社会创造巨大收益，同时也给人们生活各个方面带来诸多方便。而电源作为一种孕育而生的电子产品，在生活中得到了广泛应用，同时它也不像传统能源那样会产生许多污染。在现有的各类电源里，日常生活中我们所熟知的蓄电池、太阳能电池等电源都是直流电源，而这些电源往往无法直接给交流负载使用，一般人们的做法是通过直流逆变来给交流负载使用。这里就涉及到了电流的转换和优化问题，而逆变电源正是这样的一种电源转换装置。可以把不同的直流电转换为诸如220V、50Hz这样类型或其他不同类型的交流电。转换后的交流电可供电气设备的使用，并能够很好的满足移动供电厂所以及电能缺乏的地方的需求。逆变电源有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器等[1]。在太阳能及风能发电领域，逆变电源有着不可替代的作用。小型逆变电源还可以利用汽车、轮船、便携供电设备，在野外提供交流电源[1]。
从以上来看，逆变电源的应用，能够在很大程度上解决能源短缺，环境污染等问题，并为国家经济发展以及个人生活带来很大的动力及便捷。于是研究和发展逆变电源技术成为当下工作的重点。
1.2 国内外发展情况
逆变电源大约在上世纪60年代问世，做所周知，当时正值电力电子技术发展的黄金时期，大量电子器件得到了飞速发展，这也直接推动了逆变电源的产生及后续发展，因此可以说电力电子技术和逆变电源这两者之间有着密不可分的联系。从上世纪60年代的出现到现如今，逆变电源已经走过了整整三代的发展路程。而随着技术的提升，逆变电源技术还有可能更进一步的发展。
初代逆变电源以晶闸管（可控硅整流器）来作为它的开关器件，因此人们又称其为可控硅逆变电源，而晶闸管是一种没有自关断能力的器件，在电路中使用时要考虑关断方式问题，因此需要在其中增加换流电路来强迫关断晶闸管，但这种换流电路存许多在缺点，如电路复杂，体积大，效率低噪声大等，这样就使得逆变电源的进一步发展得到了约束。
大约在上世纪70年代末，半导体制造技术和变流技术飞速的发展起来了，许多自关断器件随之诞生，如电力晶体管、可关断晶闸管、功率场效应管等，自关断器件作为开关器件在电路中得到了广泛的使用，这样就很大程度上促进了逆变电源更进一步的发展，而以自关断器件作为开关器件的逆变电源的出现标志着第二代逆变电源正式诞生。由于这种器件的使用，逆变电源在性能方面得到了非常大的提升，相对于第一代逆变器，第二代具有自关断功能，这样就能节省在第一代中所需要的换流电路，整个电路便得到了很大简化，不仅如此，逆变器的性能也因为自关断器件的使用而得到了极大的提升。第二代逆变电源采用带输出电压有效值反馈的SPWM控制技术来控制，其结构简单，性能良好，线性负载适应度高。虽然有诸多长处，但同时也存在不少短处，这是因为它没有去顾及信号在传送过程当中开关点所发生的变化及负载所产生的影响，如果负载为非线性，那么就没有很好的适应力，电压输出波形便会因此产生畸变；再者由于缺少瞬时值的反馈，输出的电压波形也会发生畸变；除此之外，控制不到的时间域也使得波形发生畸变。由此来看，第二代逆变电源依然不是我们所最终追求的产品。
随着近十年来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，三代逆变电源由于使用了这种技术逆变电源的性能又一次得到了极大的提高，并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，实时反馈控制技术种类众多，主要有这几种：①重复控制；②谐波补偿控制；③无差拍控制；④单一的电压瞬时值控制；⑤带电流内环的电压瞬时值反馈控制[3]。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。
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