自動化畢業設計論文-基于單片機的逆變器的設計(已修改)

　

【正文】 學校代碼： 11059 學 號： Hefei University 畢業設計（論文）BACHELOR DISSERTATION 論文題目： 基于單片機的逆變器的設計 學位類別：　　　　　　 工 學 學 士 年級專業（班級）： 09自動化(1)班 作者姓名： 導師姓名： 完成時間： 2013年5月21日 基于單片機的逆變器的設計中 文 摘 要電力系統變電站和調度所的繼電保護和綜合自動化管理設備有的是單相交流供電的，其中有一部分是不能長時間停電的。普通UPS設備因受內置蓄電池容量的限制，供電時間比較有限，而直流操作電源所帶的蓄電池容量一般都比較大，所以需要一套逆變電源將直流電逆變成單相交流電。隨著電力電子技術的飛速發展，正弦波輸出變壓變頻電源已被廣泛應用在各個領域中，與此同時對變壓變頻電源的輸出電壓波形質量也提出了越來越高的要求。對逆變器輸出波形質量的要求主要包括兩個方面：一是穩態精度高；二是動態性能好。因此，研究開發既簡單又具有優良動、靜態性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領域的研究熱點之一。應用模擬電路控制逆變電源的技術已經發展多年，但是它仍存在著諸如電路結構復雜、抗干擾能力弱和調試困難等缺點。隨著高性能微處理器的出現，使得逆變電源的數字化控制成為現實。數字控制技術能夠簡化電路，克服溫漂，是逆變電源的發展趨勢。本文順應這種趨勢設計了一臺基于單片機控制的高頻鏈正弦波逆變電源。文章首先闡述了逆變技術的研究背景和發展歷程，同時著重介紹了逆變器數字控制技術的應用前景，提出了本課題的主要研究內容；其次，介紹了逆變系統方案選擇與設計部分，分析與比較了幾種具有代表性的逆變器系統結構及其控制策略的優缺點；最后，對逆變電源各個關鍵工作點的波形以及在不同負載情況下的最終輸出波形進行測試分析。實驗結果表明，本電源基本達到了設計指標的要求。關鍵詞：高頻鏈逆變電源；高頻變壓器；SPWM；反饋控制；單片機Design of sinusoidal Inverter Power Supply Based on MicrocontrollerABSTRACTWith the continuing development of electronic technology, inverter power supplies are widely used. Analog Control Inverter technology has been developed for many years, but there are also some shortings, such as circuit plexity, weak antiinterference ability and so on. With the emergence of highperformance microprocessors, making the digital control of inverter bee a reality. Digital control technology can simplify the circuit and overe temperature drift. It is the development trend of power inverter. Response to this trend, in this thesis we designed a microcontrollerbased chain of high frequency sine wave inverter.The emergence and development of link invert technology is introduced in this paper first. While highlighting the application prospect of digital control technology in inverter, presented the main contents of this thesis. Analysis and pare the advantages and disadvantages of several representative inverter system structure and control strategy in the electrical way design part. We choose singlepole SPWM control unidirectional highfrequency link inverter which is easy to realize. Then the electrical way of whole system is determined. The principle of pushpull circuit structure is analysised in the design part of DCDC pushpull stepup. Then calculate the parameters of MOSFET, rectifier diode and output filter to select the appropriate devices. Design the isolated voltage feedback circuit based on the high frequency transformer design part, through formula calculated we can derivate the maximum power capacity of the core, firstclass turns ratio and winding specifications. In the part of DCAC, including hardware design and software design. In the hardware design, we described the principle of fullbridge DCAC inverter topology and design RCD Uptake buffer circuit, after class output filter, overcurrent protection circuit and voltage sample conditioning circuit. In part of software design, ATmega128 microcontroller is used to implement the control function in the inverter power supply so digital control both of the generation of SPWM signal and negative feedback control is realized.KEY WORD: MCU。 Inverter。 TDS2285。 Negative feedback control。 SPWM2目 錄第一章 前言 1 1 2 2 2 3 3 3第二章 逆變系統方案的選擇及設計 4 4 4 5 6 DCDC變換器 7 DCAC逆變器 9 10 SPWM波的實現方法 10 SPWM的控制方式 11 12第三章 逆變器前級DC/DC推挽升壓 13 13 DCDC推挽主電路參數的計算 14 14 15 15 15 ATmega128L功能簡介 15 基于ATmega128L單片機的PWM波的生成 16 18 18 20 21第四章 逆變器后級DC/AC單相全橋逆變 22 DCAC主電路結構分析 22 DCAC電路參數計算 24 24 24 25 26 SWPM波生成及驅動電路的設計 28 SWPM波的生成 28 29 31 31 31 32 32 33第五章 實驗結果分析 34 34 34 35 37 39第六章 結論 40參考文獻 41附 錄 42原理圖 42部分程序 43致 謝 51第一章 前言電能變換的類型有四種：DCDC變換器，它是將一種直流電能變換為另一種直流電能的變換器；DCAC變換器，它是將直流電能變換為交流電能的變換器，這種交流裝置稱為逆變器；ACDC變換器，它是將交流電能變換為直流電能的變換器；ACAC變換器，它是將一種交流電能變換為另一種交流電能的變流器[1]。在逆變器未出現以前，DCAC變換時通過直流電動機交流發電機組來實現的，這種組合稱為旋轉變流機。隨著電力電子技術的高速發展，大功率開關器件和集成控制電路的研發成功，利用半導體技術就可以完成DCAC變換，這種變換裝置稱為靜止變流器，通常所說的逆變器均指靜止逆變器。靜止逆變器與旋轉變流機相比較，其電氣性能優良、高效節能、可靠性高、重量輕和體積小。近來，燃料電池的發展方興未艾，超大功率DCAC變換器必將取代旋轉變流機?，F代逆變技術是一門集半導體器件技術、模擬電子技術和數字控制技術與一身的一門實用技術，基于這一門技術所設計的逆變電源可依照不同的標準可以分成許多種類。逆變電源的發展和電力電子器件尤其是功率開關器件的發展是密不可分的，器件的發展推動著逆變電源技術的發展。逆變電源出現于上個世紀六十年代，它的發展可以分為三個階段：第一代逆變電源的開關器件采用的是晶閘管（SCR）。它代替了變流機組，減小了逆變電源的體積，但是SCR缺乏自關斷能力的缺點嚴重的阻礙了逆變電源的發展[2]。第二代逆變電源是采用自關斷器件作為逆變器的開關器件，從二十世紀七十年代起，功率器件技術得到了突破，自關斷器件問世，而采用自關斷器件作為開關管的逆變器性能相比于第一代有了很大的提高。由于開關器件可以自行關斷，因此省去了復雜的換流電路，既減小了成本又提高了效率。此外，在控制上，通常是采用單一的輸出電壓有效值或者平均值反饋的SPWM控制技術。第三代逆變電源采用實時反饋控制技術，它是針對第二代逆變電源對非線性負載適應性不強及動態特性不好而提出來的控制技術。實時反饋控制技術是近年來的研究熱點，它是新型的電源控制技術，目前仍然在不斷地完善和發展中，實時反饋控制技術種類很多，常用的幾種主要有：PID控制；重復控制；諧波補償控制；無差拍控制；單一的電壓瞬時值反饋控制；帶電流內環的電壓瞬時值反饋控制。在這個時期，各種小型化和高性能的新逆變技術層出不窮，特別是脈寬調制SPWM波形改善技術得到了飛速發展[4]。半導體功率器件的發展推動著現代逆變技術的發展，功率器件的發展方向主要有：增大功率容量，提高開關頻率，實現多種功能集成化。根據目前在逆變電路中使用到的大功率開關器件，可以將其進行分類，如表11所示：表11大功率開關器件分類類型名稱英文縮寫單極型功率場效應晶體管靜電感應晶體管MOSFETSIT雙極型普通晶閘管可關斷晶閘管靜電感應晶閘管大功率晶體管SCRGTOSITHGTR復合型絕緣柵型晶體管MOS控制晶體管IGBTMCT目前，在設計逆變電源時最常用到的開關器件為MOSFET、IGBT、GTO、GTR等，但SIT、SITH、MCT等新型開關器件正在研發和推廣，必將取代MOSFET、IGBT、GTO、GTR等。提高效率，換一句話就是降低損耗。逆變器的損耗包括開關損耗和驅動損耗[3]。驅動損耗是由功率開關管的控制極特性所決定的，而開關損耗是由功率開關管的換工作方式決定的。在功率開關管導通或關斷的過程中，開關管兩端電壓不為零，流過開關管的電流也不為零，就必將產生開關損耗，這就是傳統的硬開關技術。軟開關技術就是在電路中加入電感、電容等構成諧振電路，在功率開關管關斷后，諧振電感和電容發生諧振，使得電路中的電壓（或者電流）按正弦或準正弦的規律變化[4]，調節諧振電感和電容，令開關管導通時的電壓為零，關斷時的電流為零，從而實現零損耗開關。由于軟開關技術克服了硬開關技術損耗隨頻率提高而增加的缺點，因此可以使得逆變電源采用更高的頻率，實現了整個裝置的小型化、輕量化[5]。當前，為了提高逆變器的變換效率，軟開關技術是技術人員的研究重點，其研究的主要內容有：新型軟開關控制方式；適用于不同控制方式的控制電路的集成化；變換效率高的新型軟開關電路[6]。對于一件電子產品或電子系統來說，工作可靠性和電磁兼容性（EMC）是相當重要的。由于逆變系統可做到超大容量，并且功率開關管的狀態變換會對電網和外部電子設備產生電磁干擾，所以，可靠性設計和EMC設計顯得尤其重要，它關系著逆變技術的發展。在輸出波形為正弦波的逆變器中，最常采用的控制方式是正弦脈寬調制（SPWM）。而SPWM控制器既可以