单相正弦波逆变电源设计(附件)
本文采用STC12C5A60S2单片机内部的两路硬件PWM模块生成SPWM脉冲信号，采用单极性性调制方案驱动单向全桥逆变电路，将直流电流转化为交流电流，其正弦波输出频率由单片机内部程序控制调节，能输出2~100HZ的正弦波电流。该系统主要由整流电路、滤波电路、逆变电路、驱动隔离电路、电压电流检测电路、电源电路、升压电路、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，使系统的安全性及稳定性得到了很大提升。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 逆变电源，单极性调制，STC12C5A60S2单片机，单向全桥逆变电路，SPWM控制技术
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究目的 1
1.2 研究现状与发展趋势 1
1.3 课题研究内容 2
1.4 具体思路 3
2 基本原理 3
2.1 逆变过程 3
2.2 逆变电路的工作原理 4
2.3 逆变电源调压方法 5
3 PWM技术 5
3.1 PWM控制的基本原理 5
3.2 PWM的控制方法 7
4 系统软硬件的设计与实现 10
4.1 硬件设计 10
4.2 软件设计 15
4.3 仿真与调试 23
结论 26
致谢 27
参考文献 28
附录A设计实验程序 29
附录B 硬件主电路电气连接图 38
1 引言
1.1 课题研究目的
随着科技的发展与时代的进步，能源枯竭的问题是各国最为关心的问题，能源的短缺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，环境的污染这两种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 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
源结构，寻找清洁的替代能源己经是人们当务之急所需解决的问题[1]。
当下能源短缺是制约发展的重要原因之一，而利用可再生资源发现新能源可以缓解甚至解决这一问题。目前来看，太阳能、风能应用技术较为成熟，如果要利用这些太阳能、风能，我们必须建立一套设备装置，来将这些不稳定的太阳能、风能转化成我们可以使用的电能或是其他形式的能源。针对此，不同种类的太阳能电池，以此来将相应能源转换成电能，然后再将电能应用到其他地方。这种可再生能源技术可以很好地解决目前我们能源和电力短缺问题。逆变电源技术就是为了解决这过程中不稳定的电能转换而产生的[2]。从实际情况来看，这项技术所带来的经济优惠以及生活便捷程度来说，有着十分重大意义以及实用价值。
逆变技术是逆变电源中逆变电路电路所需要的的核心技术。现代逆变技术是研究逆变电路的理论和应用设计方法的学科，这门学科综合了现代电力电子开关器件技术、模拟和数字电子技术、PWM技术、和现代控制技术等多种技术，这种技术在工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中得到广泛的应用 [3]。
纵观世界技术的发展，在实际情况中，输出电压与输出频率都有所不同，各国之间制定的标准也有所不同。而我国为满足经济和技术的发展，有相当多的技术及设备装置引进国外。因此设计一种将频率和电压的电源转换成另一种不同的频率和电压的电源意义重大。这样就能够更加促进国家经济发展以及人类生活的便捷[4]。
1.2 研究现状与发展趋势
逆变电源技术从出现到现在已经经历了三个发展阶段。第一阶段也就是第一代逆变电源技术采用晶闸管（SCR）作为逆变电路的开关器件，称为可控硅逆变电源。但是由于这种开关没有自关断能力，因此必须通过增加换流电路来强迫使SCR关断，但是换流电路比较复杂，体积比较大，噪声大工作效率低限制了逆变电源的进一步发展。随着半导体制造技术和变流技术的发展，于是就出现了第二代逆变电源。它采用的是具有自关断能力的电力电子器件作为逆变电路的开关器件，大大提高了逆变电源的性能。从而逆变桥输出电压中较高频率的低次谐波，减小了输出滤波器的尺寸，而且提高了非线性负载的适应性。一般在逆变电源上都采用全控性的器件，在控制上普遍采用PWM控制技术，其输出电压的稳定是通过输出电压有效值或平均值反馈控制的方法实现的，但是会导致不能很好的适应非线性负载，虽然有滤波器滤波，但是由于死区时间的存在在SPWM波中仍然含有不易滤掉的低次谐波，致使输出电压的波形发生畸变、动态特性不好。而且当负载发生急剧变化时，输出电压的调整时间比较长、给定电压与输出电压之间的相位差也将受到负载的影响，而且影响比较大[5]。
为了解决以上的问题，于是就有了第三代逆变电源，它采用了实时反馈控制技术，这种技术很好的改善逆变电源的性能。实时反馈控制技术是针对第二代逆变电源不能很好的适应非线性负载强和动态特性不好的缺点提出来的，它一种新型的电源控制技术，至今仍在不断地完善和发展之中，逆变电源采用实时反馈控制技术的大大改善了逆变电源的性能使它发生了质的改变。实时反馈控制技术有很多种，主要有：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。其中第五种控制方法因实现方便，逆变电源动态性能好和对非线性负载的适应性强等优点而被广泛应用。目前，逆变电源的发展趋势主要集中在高频化、高性能化、并联及模块化、小型化、高输入功率因数化、数字智能化[6]。
目前，PWM的控制方式也不断的更新与发展，尤其是微处理器应用于PWM技术数字化后，从最初的得到电压波形为正弦波，到电流波形的正弦波，再到磁通的正弦，从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，随着PWM控制技术的不断发展与更新，PWM控制技术一般可以分为三大类：正弦PWM，优化PWM，随机PWM。按实现方式来分，可以分为模拟式和数字式两种实现方式，按控制特性来分，可以分为闭环式控制和开环式控制。随着计算机技术的不断发展，数字式PWM技术已经逐步的在取代模拟式PWM技术[7]。PWM控制技术由于它的控制简单，动态响应好的优点，已经被广泛的应用于电力电子技术当中。但是也存在着一些问题，PWM技术使用的变频器大都是电压型交直交变频器，这一类的变频器功率因素高，效率高，精度高，调速范围宽，被广泛的应用于工业中，但是不能直接用于快速起、制动和频繁的正反转的调速系统[8]。
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究目的 1
1.2 研究现状与发展趋势 1
1.3 课题研究内容 2
1.4 具体思路 3
2 基本原理 3
2.1 逆变过程 3
2.2 逆变电路的工作原理 4
2.3 逆变电源调压方法 5
3 PWM技术 5
3.1 PWM控制的基本原理 5
3.2 PWM的控制方法 7
4 系统软硬件的设计与实现 10
4.1 硬件设计 10
4.2 软件设计 15
4.3 仿真与调试 23
结论 26
致谢 27
参考文献 28
附录A设计实验程序 29
附录B 硬件主电路电气连接图 38
1 引言
1.1 课题研究目的
随着科技的发展与时代的进步，能源枯竭的问题是各国最为关心的问题，能源的短缺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，环境的污染这两种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 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
源结构，寻找清洁的替代能源己经是人们当务之急所需解决的问题[1]。
当下能源短缺是制约发展的重要原因之一，而利用可再生资源发现新能源可以缓解甚至解决这一问题。目前来看，太阳能、风能应用技术较为成熟，如果要利用这些太阳能、风能，我们必须建立一套设备装置，来将这些不稳定的太阳能、风能转化成我们可以使用的电能或是其他形式的能源。针对此，不同种类的太阳能电池，以此来将相应能源转换成电能，然后再将电能应用到其他地方。这种可再生能源技术可以很好地解决目前我们能源和电力短缺问题。逆变电源技术就是为了解决这过程中不稳定的电能转换而产生的[2]。从实际情况来看，这项技术所带来的经济优惠以及生活便捷程度来说，有着十分重大意义以及实用价值。
逆变技术是逆变电源中逆变电路电路所需要的的核心技术。现代逆变技术是研究逆变电路的理论和应用设计方法的学科，这门学科综合了现代电力电子开关器件技术、模拟和数字电子技术、PWM技术、和现代控制技术等多种技术，这种技术在工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中得到广泛的应用 [3]。
纵观世界技术的发展，在实际情况中，输出电压与输出频率都有所不同，各国之间制定的标准也有所不同。而我国为满足经济和技术的发展，有相当多的技术及设备装置引进国外。因此设计一种将频率和电压的电源转换成另一种不同的频率和电压的电源意义重大。这样就能够更加促进国家经济发展以及人类生活的便捷[4]。
1.2 研究现状与发展趋势
逆变电源技术从出现到现在已经经历了三个发展阶段。第一阶段也就是第一代逆变电源技术采用晶闸管（SCR）作为逆变电路的开关器件，称为可控硅逆变电源。但是由于这种开关没有自关断能力，因此必须通过增加换流电路来强迫使SCR关断，但是换流电路比较复杂，体积比较大，噪声大工作效率低限制了逆变电源的进一步发展。随着半导体制造技术和变流技术的发展，于是就出现了第二代逆变电源。它采用的是具有自关断能力的电力电子器件作为逆变电路的开关器件，大大提高了逆变电源的性能。从而逆变桥输出电压中较高频率的低次谐波，减小了输出滤波器的尺寸，而且提高了非线性负载的适应性。一般在逆变电源上都采用全控性的器件，在控制上普遍采用PWM控制技术，其输出电压的稳定是通过输出电压有效值或平均值反馈控制的方法实现的，但是会导致不能很好的适应非线性负载，虽然有滤波器滤波，但是由于死区时间的存在在SPWM波中仍然含有不易滤掉的低次谐波，致使输出电压的波形发生畸变、动态特性不好。而且当负载发生急剧变化时，输出电压的调整时间比较长、给定电压与输出电压之间的相位差也将受到负载的影响，而且影响比较大[5]。
为了解决以上的问题，于是就有了第三代逆变电源，它采用了实时反馈控制技术，这种技术很好的改善逆变电源的性能。实时反馈控制技术是针对第二代逆变电源不能很好的适应非线性负载强和动态特性不好的缺点提出来的，它一种新型的电源控制技术，至今仍在不断地完善和发展之中，逆变电源采用实时反馈控制技术的大大改善了逆变电源的性能使它发生了质的改变。实时反馈控制技术有很多种，主要有：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。其中第五种控制方法因实现方便，逆变电源动态性能好和对非线性负载的适应性强等优点而被广泛应用。目前，逆变电源的发展趋势主要集中在高频化、高性能化、并联及模块化、小型化、高输入功率因数化、数字智能化[6]。
目前，PWM的控制方式也不断的更新与发展，尤其是微处理器应用于PWM技术数字化后，从最初的得到电压波形为正弦波，到电流波形的正弦波，再到磁通的正弦，从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，随着PWM控制技术的不断发展与更新，PWM控制技术一般可以分为三大类：正弦PWM，优化PWM，随机PWM。按实现方式来分，可以分为模拟式和数字式两种实现方式，按控制特性来分，可以分为闭环式控制和开环式控制。随着计算机技术的不断发展，数字式PWM技术已经逐步的在取代模拟式PWM技术[7]。PWM控制技术由于它的控制简单，动态响应好的优点，已经被广泛的应用于电力电子技术当中。但是也存在着一些问题，PWM技术使用的变频器大都是电压型交直交变频器，这一类的变频器功率因素高，效率高，精度高，调速范围宽，被广泛的应用于工业中，但是不能直接用于快速起、制动和频繁的正反转的调速系统[8]。
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