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单片机SPWM脉冲宽度调制技术逆变电源设计+电路图+源程序 第2页

更新时间:2010-11-1:  来源:毕业论文
单片机SPWM脉冲宽度调制技术逆变电源设计+电路图+源程序 第2页
    第一章  方案设计
本设计要求输入电压为12VDC,输出电压为22VAC,频率为50Hz,额定输出功率>=200W,并有输入过压,过热保护,输出过压保护。设计中主要包括了逆变器的主电路和驱动电路、整流电路(即单片机供电电路)、SPWM控制信号发生电路、显示电路以及A/D采集和温度采集电路等。
设计的总体思想是通过对单片机写初始化和控制字,使其在I/O口产生SPWM输出信号,此信号通过驱动电路(驱动芯片为IR2110)驱动逆变单元的开关管(IRF1407电力MOSFET),从而在输出端得到50Hz的交流,通过变压器升压使输出电压达到要求的幅值220V;单片机控制电路通过控制A/D转换器对输入、输出电压进行监测,将采样到的数据对预设值进行比对,当采集到的数据超过预设值时,则控制关断开关管,从而实现输入、输出的过压保护;用DS18B20数字温度传感器对逆变桥进行温度测量,并将实时数据返回单片机,实现过热保护;单片机控制LCD实时显示输入、输出电压值和温度值,使其更具有人性化。
1.1方案的论证与比较
1.1.1 逆变电路的方案选择
方案一:采用直-交-直-交功率变化形式。先将直流电压转化为高频交流电,以利于减小变压器的体积;经过变压器的电压转换与隔离,从而获得所需的电压等级和隔离要求;
由于输出的50Hz的交流电,需要将高频交流电转化为50Hz的交流电,所以采用将高频电转化成直流电的方法,再利用50Hz逆变技术将直流电转化为50Hz正弦波交流电。这种直-交-直-交功率变换的原理方框图如下:
                   高频方式                                图1-1  方案一原理框图
方案二:采用单相桥式PWM逆变电路。将12VDC直接输入到单相桥式逆变模块,由单片机控制桥式逆变电路的驱动芯片驱动逆变单元工作,逆变后输出频率为50Hz的交流电;再通过变压器升压到220VAC。其原理图如下:
图1-2 方案二原理框图
图1-3  IGBT逆变电路简图(用protel画)
1.1.2升压电路的选择
方案一:应用直流斩波电路中的Boost Chopper可以将直流电压12VDC升压至至少362VDC(考虑到逆变电路中的转换效率),然后再将电压通过逆变电路得到要求的频率值即可。在使用Boost Chopper时,电感L与电容C各种参数(容量、电压值、额定电流等)应充分大,否则不能产生良好的升压效果。
方案二:不使用Boost Chopper,将12VDC直接接入逆变电路,经过滤波电路,得到10V左右的50Hz的交流电,然后再接升压变压器的圆边,根据变压器的相关参数选用适当的变压器可以将10VAC,从而得到220V、50Hz的交流电压。
综合考虑,如果最终得到幅值可调的交流电压则需要选用方案一,在本设计中,本着简化电路的原则,选用方案二。
1.1.3保护电路的选择
     方案一:对于输入端的短路保护可以采用快速熔断器,当电路产生故障引起短路时,熔断器立刻熔断切断电路。输入端和输出端的过压保护可以采用以下方法:在输入端串联一继电器;将电阻串联在电路中,检测电阻两端的电压,并将电压值通过A/D转换器采集到单片机中,经过单片机的比对,若过压,则发出信号,驱动串联在输入端的继电器工作,从而切断电路,利用温度传感器实时采集主电路的工作温度,当温度超过预定值时,单片机驱动串联在输入端的继电器工作,从而切断电路。
方案二:短路保护同样采用快速熔断器:使用A/D转换器实时采集输入端、输出端的电压值,当监测到的电压值超过预设值时,产生中断信号,使单片机停止输出SPWM波。从而停止逆变单元的工作,保护开关管。利用温度传感器实时采集主电路的工作温度,当温度超过预定值时,立刻产生中断信号,使单片机停止输出SPWM波,关断触发脉冲,达到保护电路的效果。
综合考虑,方案一的继电器动作有一定的延时性,如果电路发生过压情况,很有可能出现开关管已经烧毁而继电器还没有动作的情况,而方案二可以很快的动作,保护开关管,故采用方案二。
1.1.4 MCU的选择
       选择AT89C52单片机作为控制器,也可以选择8XC196MC单片机。8X196MC能够直接输出三相PWM波,而使用AT89C52需要外加辅助芯片才能比较容易地输出PWM波。考虑到平时编程最多的是AT系列,使用AT单片机更容易上手一些。
1.1.5 SPWM波形产生方式的选择
方案一:由正弦波振荡器,三角波发生电路和脉冲宽度调制电路组成SPWM波形发生电路。
方案二:利用专用SPWM波产生芯片(如SA828)构成SPWM波形发生电路。
由于方案一的实现电路相对复杂,需要大量的数字、模拟器件,会提高制作成本同事加大了设计的复杂度,对于方案二中的专用芯片实际应用电路简单,所用期间均为常用器件,成本较低,且便于调试,故选用。
1.1.6 总体方案
   系统的输入为12VDC,经过由熔断器构成的短路保护环节,再经过输入过压保护环节后输入到逆变单元的主电路:经过逆变电路、滤波电路后得到频率为50Hz、电压峰值约为10V的交流电;经变压器升压,得到220V,得到220V、50Hz的交流电输出。原文请找腾讯752018766,优-文^论,文.网http://www.youerw.com
系统的输入12VDC,经过稳压电路(有KA7805以及多级电容滤波电路构成)后对MCU进行供电,并在其中加入DC-DC模块,实现控制电路与主电路的隔离,由A/D转换器对电压进行实时采集,并将采集值返回到MCU,若出现过压现象,则MCU控制驱动电路停止工作
逆变电路由IR2110构成的驱动电路驱动,MCU通过SA828输出SPWM波控制驱动电路。
SPWM波的产生采用双极性的规则采样法,使用MATLAB计算出每一三角波周期内功率开关器件的通断时间,制成数据表存入单片机,应用查表法按规律产生SPWM波。考虑到桥式电路可能出现同一桥臂两只开关管同时导通,引起短路的情况,在编程中,设置了一定的死区时间,保证开关管“先断后开”。
主电路使用由DS18B20构成的温度采集单元对温度进行实时控制并将检测值返回到MCU,以实现过热保护,有MCU驱动LED实时显示A/D采集到的输入和输出电压以及对DS18B20检测到的温度值,达到实时监控和人机交互的目的。

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