緒論多年來電力電子技術(shù)通過各國科研人員的努力下得到了較大的進展，也因此SPWM逆變技術(shù)在很多領(lǐng)域都得到了應用，以至于對逆變技術(shù)的要求越來越高，常見的逆變結(jié)構(gòu)輸出的電壓要求主要體現(xiàn)在兩個方面一方面要求輸出電壓的波形不能出現(xiàn)失真的情況，另一方面要求其動態(tài)性能要好。由于這樣的高度要求是的逆變電源的結(jié)構(gòu)復雜，體積龐大，所以設(shè)計出電路結(jié)構(gòu)簡單，體型小的逆變結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為往后逆變電源的發(fā)展方向。1.1研究目的及意義本設(shè)計要實現(xiàn)一種三相交流變頻電源，經(jīng)過實踐設(shè)計，熟練了解交流變頻逆變器電路的組成，通過該課程使我們了解三相交流變頻電源的基本原理，了解其中組成元器件的作用，并使其綜合應用所學的理論知識實現(xiàn)三相變頻逆變電源的控制，熟練應用知識可以作為綜合技能來解決實際問題，為以后從事相關(guān)的技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。使用SPWM控制方法對逆變電路進行控制，產(chǎn)生的三相交流電壓通過電感和電容組成的濾波結(jié)構(gòu)濾波，產(chǎn)生穩(wěn)定純正的SPWM波，完成逆變的目的。隨著工業(yè)的高速發(fā)展，電力電子技術(shù)也得到快速健康的發(fā)展，傳統(tǒng)逆變電源有著不少的缺點：體積大、笨重、效率低下，這種逆變電源已經(jīng)不能滿足社會需求，現(xiàn)代逆變電源具有很多的優(yōu)點：損耗低、效率高、電路結(jié)構(gòu)簡單和性能指標優(yōu)良等，因此受到廣大民眾的青睞，并且廣泛應用于計算機和儀表儀器等各個方面。逆變電源主要用于對工業(yè)電器和廣大民眾家用小功率電器供電，因此廣泛適用于家電制造業(yè)廠商和電力電子制造業(yè)等電子制造工業(yè)。通過本次畢業(yè)設(shè)計，鞏固了我在大學所學的知識。通過搜集和查閱很多相關(guān)資料，使我對電力電子技術(shù)在實際中的應用有更深入的了解，使自己具有知識應用能力、獨立的分析和解決問題的能力，從而適應未來社會和科學技術(shù)的發(fā)展的需要，在往后的學習和工作中從容的應用在大學所學專業(yè)知識。1.2相關(guān)研究現(xiàn)狀及前景交流變頻電源的發(fā)展和電力電子技術(shù)發(fā)展關(guān)系緊密，在交流變頻電源中使用的核心器件基本上全為電力電子領(lǐng)域的器件，也因此電力電子領(lǐng)域的發(fā)展指引著三相交流變頻電源的發(fā)展。上世紀中旬社會對電力電子技術(shù)的需求比較高，也因此電力電子技術(shù)在上世紀發(fā)展比較迅速，發(fā)展到現(xiàn)在，逆變電源經(jīng)過許多科學家嘔心瀝血的研究已經(jīng)發(fā)展到了一個完美的系統(tǒng)。電力電子學界剛開始發(fā)展使用的逆變裝置核心控制的通斷器件是晶閘管，這種逆變器結(jié)構(gòu)被稱為可控性逆變器，因為上世紀的晶閘管不能自動通斷，所以需要在設(shè)計系統(tǒng)的過程中為其添加了換流電路，讓系統(tǒng)系統(tǒng)擁有了控制能力，因為換流結(jié)構(gòu)電路特別復雜而且由于外界運行環(huán)境比較差，導致輸出效率比較低下等原因，使得三相交流變頻電源的發(fā)展出現(xiàn)阻滯和退步的現(xiàn)象。上世紀70年代末開始，電力電子技術(shù)有了重大突破，在此期間很多能夠自動通斷的電力電子器件相繼出現(xiàn)在市場中，其中包括晶閘管、電力晶體管、門極可關(guān)斷晶體管等，這些電力電子器件的出現(xiàn)使得逆變電源的技術(shù)有新的進展，隨后使用電力電子自動通斷器件作為開關(guān)器件的逆變器出現(xiàn)市場中，這也就使得我國的逆變電源發(fā)展進入下一階段，以自動通斷電力電子器件為控制器件的逆變器，使得交流變頻電源的穩(wěn)態(tài)性能有了極大的優(yōu)化，使用的自動通斷電力電子領(lǐng)域器件的逆變器相比剛開始發(fā)展產(chǎn)生的逆變器存在很多優(yōu)化功能，最主要的也是最明顯的是因為電力電子器件的自通斷功能后將不再需要電源系統(tǒng)添加頂啊路結(jié)構(gòu)復的換流電路，這樣使主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，降低了生產(chǎn)成本?，F(xiàn)在的變壓變頻電源一般使用脈寬調(diào)制控制技術(shù)來控制?，F(xiàn)在的逆變器發(fā)展的結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定安全等優(yōu)勢，這并不能說明現(xiàn)代變頻電源已經(jīng)完美無瑕，因為沒有考慮到信號的傳輸過程中開關(guān)器件的耗損及負載的影響，會使得電源應用出現(xiàn)問題，所以現(xiàn)代的變頻電源還需要繼續(xù)優(yōu)化。2系統(tǒng)分析2.1三相交流變頻電源的基本設(shè)計本結(jié)構(gòu)大體由四部分組成,第一部分是整流電路，電力電子技術(shù)發(fā)展中最先出現(xiàn)的電路就是整流電路結(jié)構(gòu)，整流電路結(jié)構(gòu)根據(jù)普通二極管單向?qū)ǖ奶匦酝瓿蓪涣餍盘栟D(zhuǎn)變成為直流信號的作用，然后通過電容將整流后的直流電進行濾波從而產(chǎn)生穩(wěn)定性高的直流電提供給直流用電器，按照組成器件將整流電路結(jié)構(gòu)型式分為：全控、半控、不可控三種形式，在上述過程種是不可控的，在這部分使用不可控的普通二極管將交流電能轉(zhuǎn)變成直流電能。第二部分是電容濾波器，其作用是將存在波動的直流信號經(jīng)電容過濾轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定性高的直流信號,無論是從結(jié)構(gòu)方面，還是從性能方面都能夠滿足本次設(shè)計要求。第三部分是逆變部分，逆變部分的作用是將通過整流濾波后產(chǎn)生的穩(wěn)定直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗璨ㄐ蔚慕涣麟妷?，由系統(tǒng)原理圖可知逆變電路結(jié)構(gòu)的交流測連接的是負載所以這種逆變稱為無源逆變[1]。第四部分為電感電容濾波，逆變結(jié)束后通過電容、電感電路進行濾波然后提供給負載,在這個過程中的電容、電感濾波電路的設(shè)計目的是為了消除高次諧波，最后能夠得到穩(wěn)定純正的正弦波，逆變器電路是三相交流變頻電源系統(tǒng)的主電路。逆變器電路部分設(shè)計為選擇電壓型三相橋式逆變器電路，并且系統(tǒng)的輸出電壓和頻率由雙極性脈寬調(diào)制控制技術(shù)調(diào)節(jié)。2.2整流電路結(jié)構(gòu)設(shè)計整流濾波電路結(jié)構(gòu)作用是將交流市電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性高的直流電，在本設(shè)計系統(tǒng)中，是將接入電路的單相交流市電通過整流濾波轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)后續(xù)逆變所需的穩(wěn)定性高的直流電壓。該種電路結(jié)構(gòu)適用于小功率單相交流輸入的系統(tǒng)中，滿足設(shè)計要求，其電路結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。如果該電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，假設(shè)以電阻作為負載其工作波形如圖2-3所示。2.3逆變電路結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)原理設(shè)計的核心部分是逆變電路結(jié)構(gòu)，在此選用三相電壓型逆變電路結(jié)構(gòu)，該電路結(jié)構(gòu)簡單可靠符合設(shè)計要求，其中使用完全受控制的電力電子器件——MOS管，逆變電路分為兩側(cè)，一側(cè)為交流測，另一側(cè)為直流測，如果交流測連接的是電源時，則被稱為有源逆變，當交流測連接的是負載時，則被稱為無源逆變。本設(shè)計系統(tǒng)中三相逆變電路結(jié)構(gòu)交流測輸出電壓提供給負載，所以叫做無源逆變。由于三相逆變電路結(jié)構(gòu)的直流側(cè)連接的是電壓源所以該結(jié)構(gòu)被叫做電壓型逆變電路[2]。其電路結(jié)構(gòu)如圖2-3。2.4PWM控制技術(shù)及其原理現(xiàn)如今的逆變電路結(jié)構(gòu)中都采用的是PWM控制技術(shù)，由于該技術(shù)發(fā)展比較完善操作簡單方便，在本行業(yè)應用極其廣泛，逆變器存在兩種類型，其中被廣泛應用的是電壓型逆變電路。PWM控制技術(shù)是一種對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù)它的原理是采用等效面積法調(diào)整脈沖信號的寬度，通過此種方法獲取所需要的波形。脈寬調(diào)制技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應用于全球制造業(yè)的許多領(lǐng)域[3]。2.4.1面積等效原理在采樣控制中有一個理論：將窄脈沖其沖量相同但形狀不同，添加具備慣性的環(huán)節(jié)上時實質(zhì)上具有相同的效果[4]。窄脈沖表示脈沖面積。所謂的相同效果并不完全相同，但輸出響應基本相同。如圖2-3。2.4.2SPWM調(diào)制技術(shù)的選擇在系統(tǒng)中逆變器電路控制方法主要采用SPWM控制技術(shù)（正弦波寬度調(diào)制技術(shù)）[5]，以芯片IR2101s控制開關(guān)的啟動和停止以實現(xiàn)正弦波調(diào)制。SPWM的基本思想是將正弦波分成N個等間隔的部分。用于PWM調(diào)制的調(diào)制方法有兩種，單極性和雙極性。單極性和雙極性之間的區(qū)別如下：在單極性調(diào)制中端子上的輸出電壓的極性為單極性，當調(diào)制波為正時，輸出方波電壓為正。波形為負，輸出方波電壓為負。當為雙極性時，無論正調(diào)制信號還是負調(diào)制信號，輸出方波電壓都具有正值和負值。如圖2-5所示為單極性PWM控制方式波形[4]。雙極性的優(yōu)點是不必判斷正波或負波，只需比較調(diào)制波和載波的幅度即可。弊端是：雙極性調(diào)制開關(guān)管的開關(guān)作用時長增加，也因此開關(guān)的損耗增加。常見的調(diào)速系統(tǒng)都使用雙極性調(diào)制。因此，如果不強調(diào)單極調(diào)制，則成為雙極調(diào)制[5]。在本次系統(tǒng)設(shè)計中，使用了雙極性調(diào)制技術(shù)的方法。如圖2-6所示。2.5SPWM逆變器的工作原理逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為恒定頻率的恒定電壓或調(diào)頻交流電的變壓器。常用的措施是運用由晶閘管組成的SPWM逆變器電路，然而因為它存在弊端（如大型組件和低階諧波），在過去的好多年中，因為電力電子學界的努力研究電力電子器件技術(shù)有了比較客觀的進展，很多全控型的半導體器件的出現(xiàn)，使得SPWM逆變器系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。SPWM逆變器運用面積等效法來完成功能調(diào)制，即逆變器產(chǎn)生的波形是一系列的矩形脈沖波形，盡管它們的寬度不相等，但幅度相同，但其效果與正弦波基本相同。我們設(shè)計系統(tǒng)是運用雙極SPWM方法來調(diào)制逆變電路的正弦波頻率來實現(xiàn)功能[6]。3硬件設(shè)計在本次系統(tǒng)設(shè)計中，逆變器主要采用SPWM控制技術(shù)。這種設(shè)計可以完全滿足任務的需求，并廣泛用于各種相關(guān)行業(yè)。3.1總體原理圖系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。3.2電路原理圖設(shè)計 根據(jù)以上系統(tǒng)框圖設(shè)計各部分子模塊，其中題目要求的是單相AC220V輸入，首先交流電通過隔離變壓器將大電壓降低到實驗所需的安全電壓范圍內(nèi)，然后將降壓后的低電壓輸入到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過不可控整流橋?qū)蜗嘟涣餍盘栟D(zhuǎn)變成為直流信號，直流信號經(jīng)過電容濾波得到比較穩(wěn)定的直流信號，將經(jīng)過整流濾波的直流電輸入到三相逆變電路結(jié)構(gòu)中，由電感和電容組成的濾波結(jié)構(gòu)濾波得到并且符合要求的穩(wěn)定的交流電，輸出的交流電再經(jīng)過變壓器36V，這里因為是學生實驗所用學生電源電壓值較小，所以本系統(tǒng)中逆變部分的電壓均在安全電壓以內(nèi)，做實物時也要注意用電安全。3.2.1主電路設(shè)計市電單相200V輸入變壓器降壓后，通過整流濾波電路將穩(wěn)定的直流電送入逆變系統(tǒng)，在逆變電路系統(tǒng)的構(gòu)造中應用六個金屬氧化物半導體管（例如MOS管）構(gòu)成電壓型三相橋式逆變器電路。然后運用雙極性PWM調(diào)制技術(shù)將輸出的波形頻率及逆行改變，再由電感和電容組成的濾波結(jié)構(gòu)消除高次諧波，從而產(chǎn)生本設(shè)計系統(tǒng)所需的正弦波電壓。3.2.2場效應管的選擇三相橋式電路的電路結(jié)構(gòu)中需要六個MOSFET。由于輸入到電路系統(tǒng)的直流電壓很低，因此有必要選擇電流較大的場效應管，本次設(shè)計選擇使用IRF540場效應管。IRF540場效應管在耐電壓和運行時間方面要好于其他裝置，此場效應管更適合該系統(tǒng)并滿足該畢業(yè)項目的要求[7]。如圖3-3所示的3.2.3LC濾波電路設(shè)計電感器的阻值與頻率存在同比增長比例關(guān)系，而電容器的阻值與頻率成反比例增長。因而電感器能夠阻止頻率比較高的電壓經(jīng)過，電容器能夠阻止頻率比較低的電壓經(jīng)過，這兩個器件通過結(jié)合應用能夠消除頻率參差不齊的干擾信號。比如，在整流電路結(jié)構(gòu)中，電容器與一個負載并行聯(lián)結(jié)，或者電感與一個負載進行串在一起，運用此種結(jié)構(gòu)消除交流電壓的干擾波形。電容器濾波屬于電壓濾波器件，能夠存儲脈沖電壓使輸出電壓穩(wěn)定；由于電容存在擊穿電壓所以它適用于小功率系統(tǒng)；如果功率比較小的話，其濾波效果也就比較好，所得到的電壓波形更加穩(wěn)定[8]。電感濾波器是運用電流的電磁感應效應對將要通過的電流產(chǎn)生阻抗效果使得輸出的電流穩(wěn)定性好。然而使用這種方法會出現(xiàn)系統(tǒng)輸出的電壓值比較低的情況，產(chǎn)生的交流電壓的數(shù)值會比有效值??；因而這種電路結(jié)構(gòu)適用于功率比較大的系統(tǒng)；系統(tǒng)的功率越大，該電路結(jié)構(gòu)對要經(jīng)過的電壓進行濾波的效果就會比較好。經(jīng)過剖析PWM逆變器結(jié)構(gòu)輸出電壓的頻率圖，形成的諧波帶??以（j=1，2，3）為中心逐漸減小，在上述表示公式中字母k的表示意義為調(diào)制比（載頻與基頻的比值），在這種頻率區(qū)域里使用這個表達公式（公式中≠偶數(shù)）能夠表示所有諧波。在圖中能夠了解到，PWM逆變器的輸出電壓的最低諧波為:,但是因為橫向諧波的頻率幅度慢慢的在變小，所以上述表達式中的數(shù)值b不會出現(xiàn)比較高的情況，出現(xiàn)這種情況的時候的低階諧波完全由參數(shù)k的數(shù)值決定低次諧波會出現(xiàn)在什么位置。經(jīng)過濾波結(jié)構(gòu)輸出的電壓波形近似于SPWM波形，還不能引發(fā)諧振，電容和電感構(gòu)成的濾波結(jié)構(gòu)的截止頻率遠遠小于PWM波形的電壓中存在的最低次諧波的頻率,同時它也比基頻高得多。為了解決這個困難，指定電容電感的截止頻率f1：(3-1)f1—基波頻率；f在高頻PWM逆變電路結(jié)構(gòu)中，載波的頻率要比10倍的基波頻率還要大，而且基波的頻率定義為載波頻率的。[7]基波頻率為：f1=50Hz(3-載波頻率為:(3-3)因為：(3-4)又因為選為載波頻率的。所以，設(shè)置截止頻率為2000Hz，L為2個150μH的電感串聯(lián)，所以L=300μH,根據(jù)(3-5)計算得C為25F，這里選取22F的瓷片電容。3.2.4單片機的選擇STM32F系列單片機有兩個系列。STM32F101系列單片機是STM32F系列單片機中比較常規(guī)的一種，在使用過程中的運行頻率為36MHz。STM32F103系列單片機是在STM32F101系列單片機的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化而產(chǎn)生的一種功能比較全面的的單片機，在使用過程中的運行頻率為72MHz，控制芯片中存在大量RAM。這兩種單片機都具備在單片機內(nèi)部快速儲存的功能，而且在程序調(diào)試方面兼容性比較好。當需要許多功能實現(xiàn)在同一個開發(fā)平臺是，選擇STM32F系列單片機比較實用。在STM32F系列產(chǎn)品設(shè)計中，該產(chǎn)品不僅能夠滿足設(shè)計所需儲存空間比較小的系統(tǒng)，而且還要能夠滿足對設(shè)計需求儲存空間比較大的系統(tǒng)。在本次系統(tǒng)設(shè)計中選用STM32F103系列單片機。1.單片機中具備51個傳輸速度快的I/O端口，每一個輸入端口都能夠接收5V大小的數(shù)字信號。所有端口都能夠程序支配其輸出、輸入或通過程序語言使他成為其他外圍功能端口。2.單片機內(nèi)部存在12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)有兩個，其外部還存在16個外部輸入通道，這些外部通道對數(shù)模轉(zhuǎn)換的頻率約為1MHz，這些外部通道的轉(zhuǎn)換信號的區(qū)域為0到36V；具備雙重采樣和保存時間長的性能；內(nèi)部存在溫度傳感器，以至于實時關(guān)注單片機運行狀態(tài)。3.單片機存在能夠管理單片機儲存器中信號傳輸?shù)腄MA，其中DMA有7路之多，而且不需要單片機中CPU產(chǎn)于管理。信號傳輸過程中能夠通過DMA急速轉(zhuǎn)移傳輸?shù)男盘枺@樣就能使CPU有更多的時間來處理其他信號，從而使單片機功能功能更加高效率。4.單片機在調(diào)試過程中：在Cortex-M3內(nèi)部能夠承受20針JTAG的仿真測試，而且擁有單串行電纜（SWD）的調(diào)試功能。單片機的調(diào)試接口即是JTAG接口。5.內(nèi)部還有八個計時器。在這種設(shè)計中，通過定時器功能實現(xiàn)了頻率調(diào)制。3.2.5驅(qū)動電路本設(shè)計使用以IR2101s作為系統(tǒng)三相逆變的驅(qū)動芯片來驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)工作，其電路原理簡單，工作性基本滿足設(shè)計要求，能夠提升系統(tǒng)電路工作的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)設(shè)計的難度[7]。當電源接通時，電源供給電路結(jié)構(gòu)的電能流過恢復二極管從而給電容器進行充電，以至于電容的端電壓迅速提高，最后逐漸接近電源的電壓。此時，如果將下管接通，因此需要將電容的負向下拉，以形成一個充電環(huán)路，該環(huán)路將在快速充電，電壓大小很快接近電源的電壓，如果PWM波形反轉(zhuǎn)時，驅(qū)動芯片會輸出與之前方向相反的信號，在這個時候電路中的下管關(guān)斷，同時電路中的上管接通，電容的負極電壓被提高到非常接近電源電壓的狀態(tài)，此時電容的正極電壓比電源的最高電壓要大，但是因為存在二極管所以保證了電路的穩(wěn)定運行。此時，電容器開始向芯片內(nèi)部的高壓側(cè)浮置驅(qū)動電路提供電能，將電容器的端電壓被充電至高于電源的高電壓時就能夠使電路中上下管依次輪流導通或者關(guān)斷。并且電容將持續(xù)為高壓側(cè)浮置驅(qū)動電路提供電能，因此當上管工作時，高壓側(cè)浮置驅(qū)動電路的電壓始終大于上管的S電極[8]。因此本設(shè)計使用該芯片極大的降低了集成電路的設(shè)計難度，只要選擇電壓即可使電路將平穩(wěn)地運行。如圖3-6所示。驅(qū)動上下管的測量波形如下：在本設(shè)計中驅(qū)動芯片IR2101s在逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖中驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)如圖3-8所示3.2.6輸出電壓電流檢測電路在該設(shè)計系統(tǒng)中，需要是系統(tǒng)中輸出電壓和電流的實現(xiàn)閉環(huán)控制，并且對輸出電流和電壓進行采樣在OLED中顯示。該設(shè)計系統(tǒng)使用互感電流和變壓器來收集輸出端的電壓和電流。我們需要能夠檢測微控制器的輸出AC電壓幅度。但是微控制器只能檢測直流電壓，而不能檢測交流電壓，因此我們要將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能。電壓互感器的功能與變壓器的功能基本類似。它們彼此隔離，轉(zhuǎn)換比為1：1，因此輸入電流和輸出電流的量是相同的。由于該系統(tǒng)的輸出交流電的線電壓的有效值大小為36V，在電路結(jié)構(gòu)中使用10K大小的電阻，所以流入電壓互感器的電流大小為36/10K=3.6mA,電壓互感器輸出側(cè)的電流同比也是3.6mA,我們在互感器的輸出端并聯(lián)一個大小為470Ω的電阻，能夠檢測到3.6mA×470Ω=1.692V的有效值交流電壓。電流互感器和電壓互感器原理是比較相近，如果1A大小的電流流過電流互感器，將會輸出3.6mA的電流，在電流互感器的輸出端并聯(lián)一個大小為330Ω的電阻，能夠得到3.6mA×330Ω=1.188V的有效值交流電壓。因為單片機只能檢測直流電壓，所以要將交流的正弦波信號轉(zhuǎn)換成直流信號，通過電阻電容濾波器濾波提供給單片機ADC采集。如下圖3-9所示。3.2.7顯示模塊選擇與鍵盤設(shè)計本系統(tǒng)設(shè)計顯示部分分為兩部分，分別是按鍵和OLED。按鍵能夠設(shè)定電源的輸出電壓值和頻率。OLED液晶顯示屏工作所需要的驅(qū)動電流相比于其他裝值比較小，而且電路結(jié)構(gòu)比較簡單。還能實時顯示多行數(shù)據(jù)，用戶在使用過程中比較方便。3.3PCB設(shè)計將元器件擺放到合適的位置，同一功能電路中的元器件盡量擺放在靠近的位置以減小布線復雜度。對于一些發(fā)熱量大的功率型貼片器件，可通過在PCB板上開通孔或大面積敷銅的方式增強散熱，STM32F103的連接線在保證等長的前提下應盡量減小走線長度。PCB布線如圖3-11所示。4程序設(shè)計4.1程序選擇說明為了完成該設(shè)計，硬件原理設(shè)計是重要的方面，但是軟件設(shè)計是實現(xiàn)這些功能所必需的。要實現(xiàn)單片機中所需的功能，軟件編寫就顯得非常重要。設(shè)計此系統(tǒng)時使用的控制芯片是一臺小型單片機，因此有兩種軟件編程語言：匯編語言和C語言，匯編語言在運行過程中運行速度較快，但它需要大量的知識儲備，并且很難調(diào)試。其調(diào)試更為復雜。作為高級語言，C語言具備比較好的可行性，并且在運行過程中速度快，調(diào)試比較簡單。因此，本次系統(tǒng)設(shè)計使用C編寫程序，而KeilDMK用??作操作平臺[9]。4.2SPWM自然數(shù)采樣查表法正弦波的計算公式為：輸出電壓=（4-1）依據(jù)一些正弦波數(shù)據(jù)，能夠比較準確的計算出正弦波中所有脈沖的寬度以及各個脈沖之間的距離。該方法用于控制開關(guān)裝置的導通和關(guān)斷以獲得PWM波形。SPWM算法采用該規(guī)則，并且要求相同的角度。梯度將正弦波分成相等的部分。在此設(shè)計中，正弦波分為200個相等的部分，即：角度==1.8°（4-2）將通過計算得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)匠绦蛄斜碇?，存儲在單片機的ROM中，其中數(shù)字1對應最小占空比，數(shù)字99對應最大占空比[9]。const

UINT8

Duty_Cycle_sinewavetable[200]=

{

50,52,53,55,56,58,59,61,62,64,

65,67,68,69,71,72,74,75,76,78,

79,80,81,82,84,85,86,87,88,89,

90,91,91,92,93,94,94,95,96,96,

97,97,97,98,98,98,99,99,99,99,

99,99,99,99,99,98,98,98,97,97,

97,96,96,95,94,94,93,92,91,91,

90,89,88,87,86,85,84,82,81,80,

79,78,76,75,74,72,71,69,68,67,

65,64,62,61,59,58,56,55,53,52,

50,48,47,45,44,42,41,39,38,36,

35,33,32,31,29,28,26,25,24,22,

21,20,19,18,16,15,14,13,12,11,

10,9,9,8,7,6,6,5,4,4,

3,3,3,2,2,2,1,1,1,1,

1,1,1,1,1,2,2,2,3,3,

3,4,4,5,6,6,7,8,9,9,

10,11,12,13,14,15,16,18,19,20,

21,22,24,25,26,28,29,31,32,33,

35,36,38,39,41,42,44,45,47,48

};

4.3變頻的實現(xiàn)方式需要將一個完整的正弦波分為200個相等的部分。如果輸出50HZ的正弦波，那么每個等分的輸出時間間隔是：1/(200×50Hz)=0.001s=1ms（4-3）也就是定時器設(shè)置為1ms，每進來一次變換一次PWM占空比由此公式，可以得到20~100HZ對應的定時間隔時間。將該時間與單片機的時鐘相關(guān)聯(lián)，能得到不同輸出頻率對應的各個定時器設(shè)置值。const

UINT16

Frequency_settingTable[100]={

9999,4999,3332,2499,1999,1666,1428,1249,1110,999,

908,832,768,713,666,624,587,555,525,499,

475,454,434,416,399,384,369,356,344,332,

322,312,302,293,285,277,269,262,255,249,

243,237,232,226,221,216,212,207,203,199,

195,191,188,184,181,178,174,171,168,166,

163,160,158,155,153,151,148,146,144,142,

140,138,136,134,132,131,129,127,126,124,

122,121,119,118,117,115,114,113,111,110,

109,108,107,105,104,103,102,101,100,99

};

4.4程序結(jié)構(gòu)說明4.4.1主程序流程圖4.4.2定時器中斷程序Timer1(負責PWM輸出)1、PWM的頻率是固定的20KHz2、將PWM的一個周期分為100份，因此PWM定時器1的頻率要是2M倍3、控制PWM的定時器1是時鐘頻率為36MHz，分頻系數(shù)為18。Timer2：進行時間片的任務操作，例如按鍵等。Timer3：調(diào)整正弦波頻率輸出。1、每次進來按照SPWM表改變下占空比2、正弦波的頻率取決于其輸入的頻率，所以說當改變定時器的周期時，就能夠改變變頻電源的輸出波形頻率。3、在其運行過程中需要對每周期的輸入進行AD數(shù)據(jù)采樣，使用這組數(shù)據(jù)計算輸出電流和電壓的有效值。①采樣數(shù)據(jù)將在OLED中顯示。②依據(jù)輸出電壓的有效值，調(diào)整測試，使得輸出電壓在電路結(jié)構(gòu)中形成閉環(huán)空控制目的。③依據(jù)輸出電流的有效值，做輸出電流保護。其程序如下：void

TIM3_IRQHandler(void)

{

/*

USER

CODE

BEGIN

TIM3_IRQn

0

*/

/*

USER

CODE

END

TIM3_IRQn

0

*/

HAL_TIM_IRQHandler(&htim3);

/*

USER

CODE

BEGIN

TIM3_IRQn

1

*/

if(gPWMInfo.StarStop)

{

gPWMInfo.Counter_sin

++;

if(gPWMInfo.Counter_sin

>

199)//當PWM輸出為0的時候才運行換相和調(diào)節(jié)頻率

{

gPWMInfo.Counter_sin

=

0;

__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim3,

Frequency_settingTable[gPWMInfo.FREQ_SETTING

-

1]);

//設(shè)置輸出正弦波頻率

memcpy(&Duty_Cycle_Outputtable,&Duty_Cycle_Temptable,sizeof(Duty_Cycle_Temptable));

}

DutyCycle_B

=

Duty_Cycle_Outputtable[gPWMInfo.Counter_sin];

DutyCycle_C

=

100

-

DutyCycle_B;

//兩個橋臂的占空比是互補的。

//////////////////////////每周期采集200個數(shù)據(jù)/////////////////////

memcpy(ADCType.Value

,ADCType.Value_DMA

,sizeof(ADCType.Value_DMA));

gADCInfo.Vin_Buf

[gADCInfo.SampCnt]

=

ADCType.Value[0];

gADCInfo.IacS_Buf[gADCInfo.SampCnt]

=

IacSin_Filter(ADCType.Value[1]);

gADCInfo.Vac_Buf

[gADCInfo.SampCnt]

=

Vacin_Filter(ADCType.Value[2]);

gADCInfo.VinR_Buf[gADCInfo.SampCnt]

=

ADCType.Value[3];

gADCInfo.SampCnt

++;

if(gADCInfo.SampCnt

>199)

{

gADCInfo.SampCnt

=

0;

memcpy(gADCInfo.IacS_Cache

,gADCInfo.IacS_Buf

,sizeof(gADCInfo.IacS_Buf));

memcpy(gADCInfo.Vac_Cache

,gADCInfo.Vac_Buf

,sizeof(gADCInfo.Vac_Buf));

gADCInfo.ADC_Chg_Flag

=

true;

}

}

/*

USER

CODE

END

TIM3_IRQn

1

*/

}

4.4.3按鍵程序在按鍵程序設(shè)計過程中，要通過程序調(diào)試檢測出按鍵中哪個是加，哪個是減，當加或者減一直按下時數(shù)值將會一直往上加。但是確認按鍵卻與之不同按下一次有效不能一直按住。確認按鍵生效只能是上一次按鍵按下恢復后。其操作如下：1） 按鍵1：開始/結(jié)束2） 按鍵2：輸出頻率加，直到100HZ3） 按鍵3：確認頻率輸出4） 按鍵4:輸出頻率減，直到20HZ5） 按鍵5：輸出電壓加，直到22V6） 按鍵6：確認電壓輸出7） 按鍵7:輸出電壓減，直到2V4.4.4ADC檢測數(shù)據(jù)程序在ADC檢測數(shù)據(jù)的程序設(shè)計過程中，這個程序需要采樣變化的輸出電壓和輸出電流，在此使用遞歸平均濾波方法[10]。對于七個連續(xù)的隊列樣本，隊列的長度設(shè)置為7。每次獲取樣本時，都會將新數(shù)據(jù)放置在組的末尾，并丟棄該組的第一個數(shù)據(jù)。對隊列中的七個數(shù)據(jù)類型求平均，然后獲得新的過濾結(jié)果數(shù)據(jù)。優(yōu)點：能夠抑制對周期性具有影響的干擾信號，適用于電壓頻率比較高的系統(tǒng)。缺點：該方法的靈敏度比較低；對抑制意外脈沖的能力比較弱，因此該方法不適用于具有嚴重脈沖干擾的環(huán)境[10]。其程序如下：UINT16

Vacin_Filter(UINT16

new_value)

{

UINT8

i

=

0;

UINT16

sum

=

0;

UINT16

max

=

new_value;

UINT16

min

=

new_value;

gADCInfo.Vac_filter[6]

=

new_value;

//采集到的數(shù)據(jù)放入最高位

//要4個，丟2個，存1個

for(i=0;i<6;i++)

{

gADCInfo.Vac_filter[i]=gADCInfo.Vac_filter[i+1];//所有數(shù)據(jù)左移，低位扔掉

sum

+=

gADCInfo.Vac_filter[i];

if(gADCInfo.Vac_filter[i]>max)

max

=

gADCInfo.Vac_filter[i];

else

if

(gADCInfo.Vac_filter[i]<min)

min

=

gADCInfo.Vac_filter[i];

}

return

((sum

-

max

-

min)>>2);

}

4.5輸出電壓電流檢測由于交流變頻電源系統(tǒng)電壓波形為正弦波波形，采樣正弦波波形信號的比較好的的辦法叫均方根運算。其計算公式：（4-6）輸出電流和電壓都是一樣的均方根算法（4-7）通過上述公式計算得到的輸出電壓，用來和通過按鍵設(shè)定的輸出電壓比較，當實際輸出的電壓數(shù)值比預先設(shè)定的電壓數(shù)值大的話，此時需要為SPWM的數(shù)據(jù)表乘一個比較小的系數(shù)。當實際輸出的電壓數(shù)值比預先設(shè)定的電壓數(shù)值小，此時需要為SPWM的數(shù)據(jù)表乘一個比較大的系數(shù)。通過上述公式計算得到的輸出電流，當輸出的電流達到最大保護電流3A的時候，此時系統(tǒng)將停止輸出SPWM波形，直到重新按下開始按鍵。其程序如下：//*******************************************************//

//

計算電壓有效值，均方根

//*******************************************************//

UINT16

VinRMS_Calculation(UINT16

ref_voltage)

{

UINT32

sum

=

0;

UINT32

temp

=

0;

for(UINT8

i=0;i<200;i++)

{

if(gADCInfo.Vac_Cache[i]

>

ref_voltage)

temp

=

(gADCInfo.Vac_Cache[i]

-

ref_voltage);

else

temp

=

(ref_voltage

-

gADCInfo.Vac_Cache[i]);

sum

+=

temp

*

temp;

}

temp

=

sum/200;

sum

=

Real_Sqrt_16(temp);//sqrt(temp);

return

(sum

*

10)/28;

}

//*******************************************************//

//

計算電流有效值

//*******************************************************//

UINT16

IacRMS_Calculation(UINT16

ref_voltage)

{

UINT32

sum

=

0;

UINT32

temp

=

0;

for(UINT8

i=0;i<200;i++)

{

if(gADCInfo.IacS_Cache[i]

>

ref_voltage)

temp

=

(gADCInfo.IacS_Cache[i]

-

ref_voltage);

else

temp

=

(ref_voltage

-gADCInfo.IacS_Cache[i]);

sum

+=

temp

*

temp;

}

temp

=

sum

/200;

sum

=

Real_Sqrt_16(temp);//sqrt(temp);

return

(sum

*49)/20;

}

5系統(tǒng)測試5.1實物照片焊接好實物如圖5-1所示，按照原理圖設(shè)計，畫好PCB，下載好程序。5.2單片機輸出波形測試5.2.1測試儀器由于本次測試需要檢測系統(tǒng)輸出的正弦波波形，所以需要用到示波器。示波器如圖5-2所示。5.2.2測試方法第一步：將示波器連接到輸出SPWM波的單片機引腳上：第二步：將實時波形進行記錄；第三步：通過改變單片機的SPWM波頻率，使用示波器進行多次測試，直到調(diào)整后的SPWM波的頻率達到50Hz。5.2.3測試結(jié)果通過使用示波器測試，本設(shè)計系統(tǒng)可以輸出50Hz穩(wěn)定的正弦波基本滿足設(shè)計要求。5.3電路效率測試5.3.1測試儀器可調(diào)壓電源：30/3A直流穩(wěn)壓電源。萬用表：DT-9025A數(shù)字萬用表。負載：50W20Ω的滑動變阻器。示波器：數(shù)字示波器。5.3.2測試方法測量電路如圖5-4所示。具體操作如下：第一步：連接測試儀器；第二步：將直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓調(diào)到30V，通過按鍵設(shè)置輸出電壓為15V；第三步：慢慢改變負載的電阻值，記錄輸入電壓和電流以及輸出電壓和電流的變化情況；第四步：記錄實時數(shù)據(jù)。第五步：繼續(xù)調(diào)節(jié)負載阻值，直到輸出的電流超過3A，從而達到保護狀態(tài)，停止測試。5.3.3測試結(jié)果分析在額定功率下通過電源效率測試，測試結(jié)果如圖表所示，輸入輸出電流電壓記錄表U1(DC)/VI1(DC)/AU2(AC)/VI2(AC)/Aη效率30.20.1015.10.210.7430.20.1415.10.420.8530.20.2615.10.610.9130.20.3015.10.800.9230.20.4615.11.020.9330.20.5815.11.210.9530.20.7115.11.390.9530.20.8715.11.610.9530.21.0015.11.810.9630.21.1515.12.020.96通過分析以上數(shù)據(jù)，我們可以得出：在滿載輸出條件下，系統(tǒng)的電源效率為97％。由于實驗室學生電源輸出最大30V，所以需要添加升壓變壓器從而輸出36（±0.02）V電壓。當頻率為50Hz，實際電壓有效值為36.1V時，實測電壓值如下。電流/A0.511.52實測電壓/V36.135.936.1336.21電流測試結(jié)果如下。實際電流/A0.511.52實測電流/A0.511.021.532.04當實際電壓有效值為36V，電流為1A時，頻率測試結(jié)果如下。實際頻率/Hz2049.9660.2100.01實測頻率/Hz20.0949.56099.86總結(jié)本論文講述的是一