单相正弦波变频电源_论文1
电力电子装置课程作业《单相正弦波变频电源》设计报告
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单相正弦波变频电源
摘要
该变频电源以TI公司的DSP芯片TMS320F2812为主控核心，内部调制生成SPWM信号，驱动全桥逆变电路，将直流电压转换成为交流电压，其幅值和频率可以通过DSP内部软件编写来进行调节。本系统外接点阵液晶以及键盘，可以实时显示输出电压，电流，功率和交流电压频率，并且可以通过键盘设定电源输出电压的有效值和频率。另外本电源具有过流保护功能，可在输出电流过大时切断交流输入端，提高系统的安全性和可靠性。
关键词：DSP SPWM 逆变过流保护
Abstract
The variable frequency power to TI's TMS320F2812 DSP chip for the master core, internal modulation SPWM signal generation to drive full-bridge inverter circuit, the DC voltage is converted into AC voltage, the amplitude and frequency through the DSP to adjust internal software development . The system external dot matrix LCD and keyboard, real-time display output voltage, current, power and AC voltage frequency, and can be set via the keyboard RMS power output voltage and frequency. Also the power supply has overcurrent protection, output current can be cut off too large AC input, improve system security and reliability.
Keywords: DSP SPWM inverter over-current protection
1 正弦脉宽调制技术原理
正弦脉宽调制技术，即SPWM调制技术，它是在可关断电力电子器件的基础上发展起来的，是一种比较成熟的逆变技术。桥式逆变电路的主电路原理如图1.1所示，E为直流电源，功率开关管T1，T4同时导通，T2，T3同时导通，两组开关管的导通时间互补就在负载上得到交变的电压，即实现了逆变。
图1.1 桥式逆变主电路
SPWM技术所用到的一个重要理论就是冲量相等而形状不同的窄脉冲加在
具有惯性的环节上时，其效果基本相同。如图1.2（a）、1.2（b）所示，是以正弦波作为调制波，以等腰三角波作为载波的SPWM调制技术的原理示意图。图1.2（a）为单极性调制，图1.2（b）为双极性调制。
图1.2 SPWM调制原理
调制后生成幅值固定，宽度可变的脉冲信号，用这个脉宽信号驱动功率开关管，控制开关管的关断和导通时间，通过滤波滤掉开关频率，在负载上就得到频率与调制波频率相同的正弦电压。改变调制波的频率就可以改变输出电压的频率，改变载波的幅值就能调制脉宽，即增大输出正弦波电压的幅值。
2 系统电路设计分析
2.1 系统电路总体设计分析
系统硬件以TMS320F2812为控制核心，输出两路互补的SPWM信号，通过驱动电路驱动全桥逆变器，得到电压有效值和频率可控的交流电压，在输出端通过采样电路对输出电压进行采集，由DSP内部AD转换离散化后，通过软件PID 调节SPWM信号控制输出电压，达到稳压的功能。
人机交互部分和过流保护部分由单片机控制，由单片机读取键盘设定的输出电压和频率，通过异步串行通信发送给DSP。输出电流经过电流互感器采集后送到单片机内部AD转换，实时监测输出电流，当输出电流达到1.5A时切断交流输入。液晶显示系统设定的电压、频率、采集的电流和计算出的输出功率。
由于DSP特性决定了其输出的电压频率具有较高的精度，所以此处对频率进行开环控制，即不对频率进行采样，结果证明，此做法是可行的。系统结构图2.1所示。
隔离变压器继电器220VAC 整流滤波高频逆变器低通滤波单相负载
电压互感器电流互感器DSP 内部
AD
DSP 控制
核心SPWM
双路半桥驱动
光耦隔离128X64液晶
显示键盘输入
驱动信号MSP430F1611单片
机系统单片机内部AD 异步串行通信
图2.1 系统结构框图
2.2 系统方案选择
2.2.1驱动电路模块
方案一 采用集成半桥驱动芯片
集成半桥驱动芯片采用自举电容对高边MOS 管进行驱动，例如IR 公司的IR2110，Linear Technology 公司的LTC1160，采用该方案只需在芯片外围接少量元件就能完成一个半桥的驱动，简化电路，便于调试，工作可靠性高。缺点是成本较高。
方案二 采用分立元件驱动
分立元件对高边MOS 管的驱动也采用自举电路，但由于采用分立元件，增加系统复杂度，不便于调试，并且工作可靠性不高。优点是成本较低。
方案三 采用隔离电源驱动
采用隔离电源对高端MOS 管进行驱动，由于采用了隔离电源，高边驱动和低边驱动原理相似，驱动电路简洁，且能在一定程度上提高系统抗干扰性能。但是采用了隔离电源，使系统在整体上仍然复杂，且成本也会相应提高。
综上所述，我们选择了方案一。采用2片IR2110芯片驱动逆变器。
2.2.2 信号调理电路模块
方案一 直接ADC 采集
将交流信号转换为ADC 可测得信号后，用两个ADC 在一个信号的周期内采样固定的点，将采样的得到的数据进运算，得出相应的电能参数。这种方案是常用的信号处理方法，可以求得各种相关数据，而且此方案的硬件成本低。但是此方法要求控制器进行大量的数学运算，对控制器完成其他任务会造成一定影
响，特别是此处需要输出高精度的SPWM波形时。
方案二采用硬件检波电路
利用运放和二极管搭建电路，对交流信号进行峰值检测并保持，通过ADC 将相应峰值采入控制器，并根据交流信号有效值和峰值的比例关系计算出有效值。此方案成本较低，并且精度较高，但电路结构较复杂，调试也相应地麻烦。
方案三采用真有效值转换芯片
采用专用集成芯片，将符合条件的交流小信号直接转换成直流有效值，供ADC采样使用，例如Linear Technology公司的LTC1968，该芯片只需外接一只电容即可完成交流值到有效值的转换，且具有较高的精度和线性度。采用集成芯片是的系统电路更加简洁，便于调试，也增强了系统的稳定性。但此芯片的输出具有一定的噪声，不过其大小在可接受的范围内。
综上所述，我们选择了方案三，采用专用真有效值转换芯片。
2.2.3 功率开关管选择
电力电子线路中，广泛用到各种功率开关器件，如可关断晶体管（GTO），电力晶体管（GTR），功率场效应晶体管（Power MOSFET），绝缘栅双极晶体管（IGBT）等，本设计要求输出交流电压最大为36V，最大电流1.5A，考虑到设计成本和驱动电路设计难度，本设计采用功率MOS管IRF250，其最大导通电流30A，最大漏源极电压200V，符号要求。
3 硬件电路设计
3.1 主电路设计
在本设计中，采用4个开关管构成全桥逆变器，通过两路互补SPWM信号驱动逆变器，使逆变器每条对角线上的两个开关管同时导通，另外两个同时截止，利用面积等效原理，使得输出的波形经过低通滤波之后呈现出正弦波形，达到将直流电转化为交流电的目的。主电路的原理图如图1.1所示
3.2 驱动电路设计
功率MOSfET驱动电路如图2.2所示，采用IR2110半桥驱动芯片。高电位MOSFET驱动端为HO1和VS1，是典型的电压自举电路，C13、C16为自举电容，低电位MOSFET驱动端为PGND和LO1。两只MOSFET的驱动信号输入端为HIN1和LIN1。
图3.1 MOSFET 驱动电路
为了实现电路的稳定运行和提供高质量的交流电压，功率电路和控制电路有必要隔离。本设计采用如图2.3所示的光耦6N137隔离电路将驱动信号和功率电路隔离，减少功率电路对控制电路的干扰，使控制电路稳定可靠工作。
3.3 电压检测电路设计
为了适应负载的变换，需要对输出电压进行采样，跟踪调节控制。电压的采样电路如图2.4所示，交流电压经电压互感器取样后，送到真有效值转换芯片LTC1968，将正弦电压的有效值转换成直流电压信号，再通过运算放大器电路处理后送到DSP 的模数转换通道供采样。
图 3.2 光耦隔离电路
图3.3 电压检测电路
3.4 电流采集电路设计
为了实时电流值显示，计算电路功率和实现短路保护，需要对负载电流采样。采样电流基本与电压检测电路相同，用电流互感器隔离采样，送到LTC1968转换为有效值，再经过运算放大器处理后送到MSP430F1611单片机的模数转换通道供采样。
3.5 人机交互电路设计
由单片机扫描键盘和驱动液晶显示。键盘输入设定的电压和频率值经过单片机处理后发送给DSP，并显示输出的电压和频率，单片机采集电流互感器的输出，计算输出功率，并显示输出电流和功率。
3.6 过流保护电流设计
过流保护电流如图所示，Switch端接单片机，继电器触点串接于主电路中，当单片机检测到主电路电流大于1.5A时，输出高电平使三极管导通，断开继电
器常闭触点，切断主电路，起到保护作用，提高系统的安全性。
图 3.4 保护电路
4 软件设计
DSP 软件部分流程图如图所示，系统在初始化的时候默认设定电压20V ，频率50Hz ，并等待中断。进入中断后判定中断类型，如果是串口中断则接收单片机设定的输出参数，改变SPWM 输出，实现输出电压和频率的设定。如果是CPUtimer 中断，则DSP 测量输出电压值，通过PID 模块计算后改变SPWM 输出，实现才输出电压的PID 稳压控制。 中断开始
PID 计算改变SPWM 参数
开始SPWM 输出系统初始化
是否中断？
进入中断串口中断？
接收设定值CUPtimer 中断？测量输出电压中断返回
Y
N
N Y
Y N
图 4.1 DSP 软件流程图
5 系统测试
5.1 固定负载和频率时系统设定电压与实际电压比较
表5.1 输出频率50Hz电流0.5A时设定电压与实际电压值
设定值/V14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0
实际值/V14.1 16.0 18.1 19.9 22.2 24.0 25.7 28.1 表5.1中，输出负载电流为0.5A时，输出电压实际值与设定值误差基本在0.1V内。
5.2 设定24V50Hz电压时不同负载下的电压值
表5.2 设定24V50Hz输出时不同负载下的电压值
电流/A0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
电压/V24.0 23.9 23.6 23.4 23.2 23.2
5.3 固定电压和负载时设定频率与输出频率
表5.3 输出24V0.5A时设定频率与输出频率
设定频率20.0 35.0 45.0 55.0 65.0 75.0 85.0 100.0 实际频率20.0 35.0 45.0 55.0 65.0 75.0 85.0 100.0 在测量系统输出频率时，只有0.01Hz位有很小的变化，系统完全在频率开环的情况下运行。
参考文献
1．康华光．电子技术基础模拟部分．武汉：华中理工大学出版社，2002．（第四版）
2．沈建华、杨艳琴、翟晓曙．MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用．清华大学出版社，2004．（第一版）
3．徐科军、陈志辉、傅大丰．TMS320F2812 DSP应用技术．科学出版社．2010.2．4．沈显庆，常国祥．基于CPLD的单相逆变电源设计．电力电子技术．2009．1