单相桥式PWM逆变电路设计
发表时间：2024-11-06 20:54:01 来源：商用电磁炉
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由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作 N 等分。 然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等 高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由 N 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半 周也可用相同的方法来等效。 这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出 SPWM 波形。 由于各脉冲的幅值 相等， 所以逆变器可由恒定的直流电源供电，逆变器输出脉冲的幅值就是整流器 的输出电压。 当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件 的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。 从理论上讲， 这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方式求得，作为控 制逆变器中各开关器件通断的依据。 但较为实用的办法是引用通信技术中的“调 制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波 (ModulationWave )，而受它调制的信号称为载波(Carrier Wave )。在 SPWM 中
对单相桥式 pwm 逆变电路的主电路及控制电路进行设计，参数要求如下：直 流电压为 12 V，L=1mH，要求频率可调，输出为 5V 的正弦交流电。 设计的基本要求：1.理论设计：了解掌握单相桥式 PWM 逆变电路的工作原理，设计 单相桥式 PWM 逆变电路的主电路和控制电路。包括： IGBT 电流，电压额定的选择 驱动电路的设计 画出完整的主电路原理图和控制原理图 列出主电路所用元器件的明细表
3.双极性正弦波等面积法 正弦波等面积算法的基础原理为:将一个正弦波等分成 H， 个区段， 区段数
一定是 6 的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差 1 2 0 ，要从一相正弦波方便 地得到其他两相，必须把一个周期分成 6 的整数倍。由图 2-10 可见，
输出波形越接近正弦波。在每一个区段，等分成若干个等宽脉冲(N)，使这 N 个 等宽脉冲面积等于这一区段正弦波面积。采用这种方法既能大大的提升开关频率，改 善波形，又能够大大减少计算新脉冲的数量，节省计算机计算时间。如图 2-10 所示
用参考电压信号的幅值 Ur， 与三角形载波信号的幅值 Uc 的比值，即调制度 m = Ur/Uc，来控制输出电压变化。当调制度由 0~1 变化时，脉宽由 0~π /p 变化， 输出电压由 0~ E 变化。如果每个脉冲宽度为 θ ，则输出电压的傅里叶级数展开 式为:
系数 An 和 Bn 由每个脉宽为 θ ，起始角为 α 的正脉冲来决定和对应的负脉 冲起始角 π α 来决定。 如果第 j 个脉冲的起始角为 α j 则有
脉宽调制的控制方式从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性之分: 参加调制的载波和参考信号的极性不变，称为单极性调制;相反，三角载波信号 和正弦波信号具有正负极性，则称为双极性调制。 (1)单极性正弦脉宽调制 单极性正弦脉宽调制用幅值为 U r 的参考信号波 U r 与幅值为
三角波 U c 比较，产生功率开关信号。其原理波形如图 2-6 所示。图 2-6 是用单
相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截， 再通过倒相产生功率开关驱 动信号。 参考波频率 fr 决定了输出频率 fo， 每半周期的脉冲数 P 决定于载波频率 fc。 即:
课程名称： 系 部： 电气与信息工程学院 自动化 0902 班 陈 小 龙 熬 章 洪
1.工作原理…………………………………………………3 2.控制方式…………………………………………………4 3.单片机电源与程序下载模块………………………………7 4.正弦脉宽调制的调制算法…………………………...……8 5.基于 STC 系列单片机的 SPWM 波形实现……………….11
防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造 成短路， 留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开 关器件的关断时间决定。 死区时间会给输出的 PWM 波带来影响，使其稍稍偏离正 弦波。
1.自然采样法 按照 SPWM 控制的基础原理，在正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度和间隙 的采样，去生成 SPWM 波形，成为自然采样法。如图 2-8 所示
为使采样法的效果既接近自然采样法，没有过多的复杂运算，又提出了规则 采样法。 其出发点是设法使 SPWM 波形的每个脉冲都与三角波中心线 中的 法。计算就大大简化了。
STC 系列单片机生成 SPWM 波原理 5.1.STC 系列单片机简介 STCl2 系列单片机是美国 STC 公司在 8051 单片机标准的内核基础上改进推 出的一个增强型功能的 8051 的单片机， 从引脚到指令上完全与 8051 单片机兼容。 最突出的特点是其具有可编程计数器阵列 PCA。以 STCl2C5608AD 为例，有四 路可编程计数器阵列 PCA／PWM。PCA 含有一个特殊的 16 位定时器，有 4 个 16 位的捕获／比较模块与之相连。 四个模块的公共时间基准由 PCA 定时器决定，可 以通过 PCA 模式寄存器 CMOD SFR 的 CPSl 和 CPS0 位确定。每个模块可编程工作 在 4 种模式下：上升／下降沿捕获、软件定时器、高速输出或 PWM 脉冲输出。文 中 SPWM 生成功能主要靠 PWM 脉冲输出模式完成。 2 即为 PCA 模块脉宽调节 PWM 图 输出模式框图。 在 PCA PWM 输出模式中，当 CLSFR 的值小于{EPCnL，CCAPnL}时，输出为低， 当 PCA CL SFR 的值等于或大于{EPCnH，CCAPnH}时，输出为高。当 CL 的值由 FF 变为 00 溢出时，{EPCnH，CCAPnH}的内容装载到{EPCnL，CCAPnL}中。这样就实 现了无干扰的更新 PWM。要使能 PWM 模式，模块 CCAPMn 寄存器的 PWMn 和 ECOMn 位必须置位。本文中，SPWM 波形是综合使用了模块 O 的脉宽调节(PWM)模式和模 块 1 的 16 位软件定时器模式，通过软件中断的形式实现的。 与此同时，STCl2C54lO 单片机还具有快速 A／D 转换功能。有一个 lO 位精 度、8 路通道的 A／D 转换器。可以方便的对输入、输出的电压、电流进行监控 和显示。 5.2.SPWM 波生成方法 利用 STC 系列单片机产生 SPWM 波的基础原理是：将载波周期数值赋给 PCA 模块 l 的 16 位捕获／比较模块寄存器 CCAPlH(高 8 位)和 CCAPlL(低 8 位)，PCA 定时器的值 CH(高八位)、CL(低八位)与模块捕获寄存器的值相比较，当两者相 等时，产生 PCA 中断。在中断中，调用模块 0 的 PWM 脉宽调节模式，将下一个 SPWM 波的脉宽通过 CCAP0H 装载到 CCAPOL 中， 这样就能轻松实现无干扰的更新 PWM。
常用等腰三角波作为载波， 因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当 它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到 一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是 SPWM 所需要的结 果。
图 2-4 是 SPWM 变频器的主电路，图中 VTl~VT6 是逆变器的六个功率开关器 件(在这里画的是 IGBT)，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流 电压 U 供电。图 2-5 是它的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号 由参 考信号发生器提供， 其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率 范围内可调。参考信号的幅值也可在一些范围内变化，决定输出电压的大小。三 角载波信号
式中：M 为调制度。N 为半个周期内的脉冲个数。考虑载波比、输出谐 波等因素，在此 N 取 60。由上式计算出的 SPWM 脉宽表是一个由窄到宽、再由宽 到窄的 60 个值的正弦表，将其存入 STC 单片机的 ROM 中以供调用。
MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的单电源电平转 换芯片,使用5v 单电源供电。主要特征有:符合所有的 RS-232C 技术标准、只需 要单一 5V 电源供电 ； 片载电荷泵具有升压、 电压极性反转能力， 能够产生10V 和-10V 电压 V、V- ；功耗低，典型供电电流 5mA ；内部集成 2 个 RS-232C 驱 动器 ；内部集成两个 RS-232C 接收器。 用 78/79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部 还有过流、过热及调整管的保护电路，用起来可靠、方便，且价格便宜。该 系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出 电压，如 7806 表示输出电压为正 6V，7909 表示输出电压为负 9V。
(2)双极性正弦脉宽调制 双极性正弦脉宽调制原理波形如图 2-7 所示。输出电压 u0(t)波形在 0~2π 区间关于中心对称、在 0~π 区间关于轴对称，其傅里叶级数展开式为
图为 SPWM 面积等效法原理示意图 假设所需的输出正弦电压为 U0=Umsinω t，式中：Um 为正弦波幅值。利用面 积等效法正弦波小块面积 S1 与对应脉冲面积 S2 相等的原则， 将正弦波的正半周 分为 N 等分， 则每一等分的宽度为兀／N，计算出半个周期内 N 个不同的脉宽值。 相关公式如下： 正弦波 S1 面积为：
由单片机实现 SPWM 控制，根据其软件化方法的不同，有如下几种方法：自 然采样法、对称规则法、不对称规则法和面积等效法等。理论分析发现面积等效 法相对于其它方法而言， 谐波较小， 对谐波的抑制能力较强。 而且实时控制简单， 利于软件实现。因此本文采用面积等效法实现 SPWM 控制。
1.程序……………………………………………………17 2.模拟电路图……………………………………………..19
单片机控制逆变电路，以逆变器为主要元件，稳压、稳频输出的电源保护设 备。采用面积等效的 SPWM 波，又单片机为主导，输出三角波和正弦波再由这 两个波相叠加输出 spwm 波来控制逆变电路的触发， 使其把直流编程频率可变的 交流电
三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，控制逆变器中开关元件导 通和关断各一次。 要准确的生成 SPWM 波形，就要精确的计算出这两个点的时间。 开关元件导通时间是脉冲宽度， 关断时间是脉冲间隙。正弦波的频率和幅值不同
时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的控制由定时器 完成，是很方便的，重点是调制算法。调制算法主要有自然采样法、规则采样 法、等面积法等。
式（2-5）中 输出电压 u0（t）可看成是幅值为 E，频率为 fo 的方波与幅值为 2E、频率为 fc 的负脉冲序列(起点和终点分别为
需要注意的是，从主回路上看，对于双极性调制，由于同一桥臂上的两个开 关元件始终轮流交替通断，因此会造成电源短路，造成环流。为防止环流，就 必须增设延时触发环节，设置死区。
