基于ARM的逆變電源軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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基于 ARM 的逆變電源軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電氣工程與自動化專業(yè)（一）班 伍光 指導(dǎo)教師 范方靈摘要 本文設(shè)計(jì)的單相脈寬調(diào)制逆變電源屬于交流電源（DC-AC 逆變） ，采用電壓反饋控制，通過中斷功率通量和調(diào)節(jié)占空比的方法來改變驅(qū)動電壓脈沖寬度來調(diào)整和穩(wěn)定輸出電壓。其主電路構(gòu)成采用的是 BOOST 電路和全橋電路的組合。本設(shè)計(jì)以微處理器 LM3S1138 為控制核心的逆變電源系統(tǒng)，由 4*4 鍵盤控制微處理器 LM3S1138 產(chǎn)生不同占空比的 PWM 波和不同頻率的 SPWM 波。用集成芯片比分立元器件控制電路具有更簡單，更可靠的特點(diǎn)和易于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。本文詳細(xì)的分析了該逆變電源的工作過程，并推導(dǎo)了重要公式。最后對該逆變電源進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)物制作，驗(yàn)證了其可行性和有效性。關(guān)鍵詞 逆變，SPWM，場效應(yīng)管，LM3S11381 緒論逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)進(jìn)行電能變換的裝置，它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓恒頻的交流輸出。逆變電源技術(shù)是一門綜合性的專業(yè)技術(shù)，它橫跨電力、電子、微處理器及自動控制等多學(xué)科領(lǐng)域，是目前電力電子產(chǎn)業(yè)和科研的熱點(diǎn)之一。逆變電源廣泛應(yīng)用于航空、航海、電力、鐵路交通、郵電通信等諸多領(lǐng)域。1.1 課題研究背景介紹課題來源：人們在停電和野外作業(yè)等電力匱乏時(shí)常需要正弦波逆變不間斷電源。需求分析：可應(yīng)用于太陽能蓄電池單相輸出正弦波逆變電源、監(jiān)控以及事故照明、為通信、載波、繼電保護(hù)等提供不間斷電力。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：逆變電源可以把直流電轉(zhuǎn)換為單相正弦交流電。供用電設(shè)備使用。目前，市場提供的大部分產(chǎn)品均為方波逆變器。雖然這種逆變器電路簡單，但效率低。為此，提出了一種基于 LM3S1138 的單相正弦波逆變電源。1.2 課題研究意義早些時(shí)候人們一直用旋轉(zhuǎn)型變流機(jī)組產(chǎn)生交流電，其原動機(jī)可以是油機(jī)，也可以是電動機(jī)，輸出交流電壓是發(fā)電機(jī)發(fā)出的。但旋轉(zhuǎn)型變流機(jī)組存在噪聲大、輸出電壓的動態(tài)特性差、機(jī)械損耗和電能損耗較大、效率較低、設(shè)備龐大笨重、操作不夠靈活等諸多弊病，于是人們一直尋求新型產(chǎn)生交流電的裝置。逆變電源也是一種產(chǎn)生交流電的裝置，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：其一，變頻，逆變電源能將市電轉(zhuǎn)換為用戶所需頻率的交流電；其二，變相，逆變電源能將單相交流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，也能將三相交流電轉(zhuǎn)換為單相交流電；其三，逆變電源能將直流電轉(zhuǎn)換為交流電；其四，逆變電源能將低質(zhì)量的市電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。于是逆變電源將逐漸取代旋轉(zhuǎn)型變流機(jī)組。目前，逆變電源技術(shù)的核心部分是逆變器和其控制部分，雖然自關(guān)斷器件的產(chǎn)生簡化了主電路，但它的開關(guān)頻率和功率仍受一定的限制，于是逆變電源輸出波形正弦度仍不是很理想。雖然在控制方法上已經(jīng)趨于成熟，但有些控制方法實(shí)現(xiàn)起來仍很困難。因此，對逆變電源技術(shù)進(jìn)行深入的研究有很大的現(xiàn)實(shí)意義。1.3 本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.3.1 本課題設(shè)計(jì)主要內(nèi)容(一) 在逆變電源技術(shù)的研究方面，本文將深入分析逆變工作原理及 SPWM 控制原理并建立逆變電源動態(tài)模型。（二） 逆變電源控制方法研究。對逆變電源采用各種控制方法時(shí)的性能及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析，從而確定本文逆變電源的控制方案。（三） 逆變電源主電路研究。其中包括斬波升壓、逆變器部分、驅(qū)動部分、變壓器部分和濾波器部分。（四） 利用單片機(jī)對逆變電源 SPWM 部分、死區(qū)部分、電壓有效值外環(huán)及電壓瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)部分實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，并進(jìn)行數(shù)字化控制。1.3.2 本課題設(shè)計(jì)要求功能特點(diǎn)：正弦波輸出;可以設(shè)置輸出所需電壓和頻率;全數(shù)字控制;數(shù)碼顯示。技術(shù)指標(biāo)：輸出頻率范圍為 ;30~8Hz輸出電壓范圍為 AC ;25V輸出電壓波形應(yīng)盡量接近正弦波，用示波器觀察無明顯失真。2 逆變電源設(shè)計(jì)2.1 可行性分析設(shè)計(jì)思路：該電源由 12V 蓄電池直流輸入，然后通過斬波升壓，橋式逆變電路逆變成SPWM 波形，經(jīng)低通濾波器得到正弦波輸出。系統(tǒng)為全數(shù)字控制，控制和 SPWM 皆用Luminary ARM 芯片產(chǎn)生，可以設(shè)置輸出所需電壓和頻率的正弦波。并有相應(yīng)的保護(hù)功能。應(yīng)用的技術(shù)分析：該課題涉及到電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等。2.2 方案比較及確定1、使用 U3988 芯片作為控制芯片U3988 是數(shù)字化、功能完善的正弦波單相逆變電源/UPS 主控器件，不僅能輸出高精度的 SPWM 正弦波脈沖序列，還能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、保護(hù)、市電/逆變自動切換、充電控制等功能。U3988 的工作電壓為+5V，工作頻率為 20 ，載波頻率為 20 。采用 10 位 SPWM 型MHzkHzD/A 轉(zhuǎn)換輸出， 精密時(shí)基；具有實(shí)時(shí)反饋輸入輸出，輸出穩(wěn)壓及短路檢測、50/6Hz電池充電檢測等功能；采用雙極性調(diào)制方式，具備的逆變橋控制使能輸出端通過蜂鳴器控制輸出。 2、使用 SG3525 芯片SG3525 的工作電壓范圍為 8～35 V，基準(zhǔn)電壓 5.1 V，精度 1%；振蕩頻率范圍為100～500 。它具有振蕩器同步信號輸入、死區(qū)時(shí)間可調(diào)、內(nèi)置軟啟動電路、逐個(gè)脈沖kHz關(guān)斷、帶滯回電壓的輸人欠壓鎖定及 PWM 鎖定、禁止多脈沖、雙通道源電流/吸收電流給出驅(qū)動電路等特點(diǎn)。3、使用 ARM 芯片功能更加強(qiáng)大，控制更加靈活。能直接輸出 SPWM，SPWM 控制原理是：在逆變器輸出交流電能的一個(gè)周期內(nèi)，將直流電能轉(zhuǎn)成幅值相等而寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，該脈沖序列的寬度隨正弦波幅值變化的離散脈沖，經(jīng)過濾波得到正弦波交流電。能實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示和上位機(jī)通訊。因此我們選擇使用 ARM 芯片的方案。設(shè)計(jì)重點(diǎn)難點(diǎn)：逆變驅(qū)動和電流采樣的硬件設(shè)計(jì)，控制軟件設(shè)計(jì)。2.3 系統(tǒng)組成系統(tǒng)主電路和控制電路框圖（圖 2.1） 。電源由 12V 蓄電池提供（該蓄電池能輸出10Ah 的電能） ，此電壓經(jīng)過 Boost 電路進(jìn)行升壓，通過控制驅(qū)動 IGBT 的 PWM 波形的占空比，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。DC-AC 變換電路采用全橋變換電路。為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，防止主電路對控制電路的干擾，采用主、控電路完全隔離的方法，即驅(qū)動信號用光耦隔離，反饋信號用變壓器隔離，輔助電源用穩(wěn)壓集成快組成。IGBT 的過熱保護(hù)采用 89℃熱繼電器作為溫度檢測器件，其具有足夠的響應(yīng)速度，能夠在 IGBT 管允許的過熱時(shí)間內(nèi)將電源關(guān)斷。圖 2.1 系統(tǒng)主電路和控制電路框圖2.4 主電路原理圖主電路的拓?fù)淙鐖D 2.2 所示。此主電路由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)組成，Boost 升壓電路，橋式逆變電路，工頻升壓和濾波電路。圖 2.2 主電路拓?fù)?.5 控制電路原理圖1、IGBT 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)結(jié)合本次設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一款用分立元件實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動電路，電路圖如圖 2.3 所示。圖 2.3 分立元件 IGBT 驅(qū)動2、橋式 MOSFET 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)本橋式組電路是由 4 只 N 溝道 MOSFET 組成，而非傳統(tǒng)的兩只 N 溝道管子和兩只 P 溝道管子，這樣的由相同的管子組成的橋式電路對稱性更好，管壓降小，減小了能量損失，其驅(qū)動電路如圖 2.4 所示。圖 2.4 橋式逆變器驅(qū)動電路2.6 編程實(shí)現(xiàn)SPWM 波是在 C P U (LM3S1138)的支持下， 由二個(gè)定時(shí)器 Timer1、Timer2 和 4 個(gè)外部中斷及接口獲得的。定時(shí)器 Timer1 完成采樣周期 T s 的定時(shí)， 定時(shí)器 Timer2 完成脈沖間隔及脈沖寬度的定時(shí)( 實(shí)際上是對`oft與`n定時(shí)) 。當(dāng) Timer1 定時(shí)時(shí)間到， C P U 響應(yīng)該中斷請求， 向相應(yīng)接口送出低電平( 偶次采樣) 或高電平( 奇次采樣) ， 并計(jì)算出`oft( 偶次采樣) 或`ont( 奇次采樣) 作為定時(shí)時(shí)間常數(shù)送人 T 2 并啟動 Timer2 ， 同時(shí)啟動 Timer1 繼續(xù)定時(shí) aT。當(dāng) Timer2 定時(shí)時(shí)間到， C P U 響應(yīng)該中斷請求， 向相應(yīng)接口送出高電平( 偶次 采樣) 或低電平( 奇次采樣) ， 單片機(jī)等待下一個(gè)采樣 周期即Timer1 定時(shí)時(shí)間到， 重復(fù)上述過程形成 S P WM 波。 PWM 波是在 C P U (LM3S1138)的支持下，由專門的 PWM 端口產(chǎn)生。主程序(如圖 2.5)的一個(gè)循環(huán)產(chǎn)生 N 個(gè) S P WM 脈沖， 即一個(gè)正弦波周期循環(huán)一次， 并采樣一 次頻率給定值 f ， 然后按這時(shí)的 f 生成 S P WM 控制脈沖序列。圖 2.5 主流程圖查表并計(jì)算`oft和`n時(shí)間，其部分程序：void CalSPWM(void){Uint32 *sp; /*定義一個(gè) 32 位的指針*/Uint16 i,PRD; /*讀取因子表PRD=PRD55[3];sp=(Uint32 *)0x3ff000; /*旋轉(zhuǎn)因子表的起始地址 Uint32 *sp;*/ 初 始 化讀 f并 顯 示中 斷 按 鍵 控 制f調(diào) 節(jié)Ｐ Ｗ Ｍ 的 占空 比 調(diào) 節(jié) 計(jì) 算 Tsf和 電 壓 顯 示切 換Ts裝 入 imer1并 啟 動 Timer1查 表 并 計(jì) 算 ton、 tofton、 tof裝 入 Timer2并 啟 動 Timer2返 回for(i=0;iSPWM_NUM;i++){ SPWM55[i]=(*sp15); /*由 Q30 變成 Q15 格式---OK*/sp++;} /*計(jì)算 SPWM 脈寬 */for(i=0;iSPWM_NUM;i++){ SPWM55[i]=(((Uint32)SPWM55[i]*PRD)15); /*變?yōu)?Q0 格式*/} PRD++;for(i=0;iSPWM_NUM;i++) { SPWM55[i]=PRD-SPWM55[i];} /*補(bǔ)償死區(qū)時(shí)間*/for(i=0;iSPWM_NUM;i++){ if(SPWM55[i]100)SPWM55[i]=SPWM55[i]-79;}通過電壓檢測傳感器檢測電壓大小。并將電壓值反饋到微處理器 LM3S1138，形成閉環(huán)，能挺高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。AD 初始化程序：void timer0Init(void){SysCtlPeriEnable(SYSCTL_PERIPH_TIMER0); /*使能定時(shí)器模塊 */TimerConfigure(T0_B_CFG_16_PER); /* 配置 TimerB 為 16 位周期定時(shí)器 */TimerPrescaleSet(T0_B , 99); /* 預(yù)先進(jìn)行 100 分頻*/TimerLoadSet(T0_B , 30000UL); /* 設(shè)置定時(shí)器初值 */TimerIntEnable(T0_B_INT_TIMEOUT); /* 使能 TimerB 超時(shí)中斷 */IntEnable(INT_TIMER0B); /* 使能 TimerB 中斷*/IntMasterEnable(); /* 使能處理器中斷*/TimerEnable(T0_B); /*使能 TimerB */}定時(shí)器 Timer1 用來采樣周期定時(shí)，計(jì)算出導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，并將定時(shí)時(shí)間傳給Timer2，其程序框圖如圖 2.6。Timer1 初始化程序：void timer1Init(void){SysCtlPeriEnable(SYSCTL_PERIPH_TIMER0); /*使能定時(shí)器模塊 */TimerConfigure(T0_B_CFG_16_PER); /* 配置 16 位定時(shí)器 */TimerPrescaleSet(T0_B , 99); /* 預(yù)先進(jìn)行 100 分頻*/TimerLoadSet(T0_B , 30000UL); /*設(shè)置定時(shí)器初值*/TimerIntEnable(T0_B_INT_TIMEOUT); /*使能 TimerB 超時(shí)中斷*/IntEnable(INT_TIMER0B); /* 使能 TimerB 中斷*/IntMasterEnable(); /* 使能處理器中斷 */TimerEnable(T0_B); /* 使能 TimerB */}圖 2.6 Timer1 中斷流程圖通過 4*4 鍵盤控制微處理器(LM3S1138)產(chǎn)生不同占空比的 PWM 波，和不同頻率的 SPWM波，并能進(jìn)行顯示模式的切換，其程序框圖圖 2.7。Timer1定 時(shí) 器 中 斷 程 序采 樣 次 數(shù) R0+1指 針 R1+Ｔ s裝 入 Timer1并 啟 動 Timer1查 表 取 值 并 計(jì) 算 ton、 tf返 回4*鍵 盤LM3S18產(chǎn) 生 不 同 占 空 比 的PWM 產(chǎn) 生 不 同 頻 率 的SPWM顯 示 電 壓 或 頻 率圖 2.7 鍵盤流程圖2.7 實(shí)測各種波形圖 2.8 是兩路帶死區(qū)時(shí)間相位相差 180°的 PWM 波形，其用來控制 Q1，Q2 兩只 MOSFET通斷。圖2.8 帶死區(qū)的PWM波形圖 2.9 是兩路帶死區(qū)時(shí)間相位相差 180°的 SPWM 波形，其用來控制 Q3，Q4 兩只MOSFET 通斷。圖2.9 帶死區(qū)的SPWM波形圖2.10是占空比可調(diào)節(jié)的PWM波形，用來控制BOOST電路部分IGBT的開通和關(guān)斷狀態(tài)。圖2.10 占空比可調(diào)的PWM波形圖 2.11 是未經(jīng)過濾波的輸出波形，其正負(fù)半周都是顯 SPWM 波形狀。圖2.11 未經(jīng)濾波的輸出波形圖 2.12 是經(jīng)過 LC 電路濾波后的輸出波形，其形狀以接近正弦波。圖2.12 經(jīng)過LC濾波的輸出波形2.8 數(shù)據(jù)記錄改變 Boost 電路輸入 PWM 的占空比所測得的各種電壓如表 2-1 所示。表 2-1蓄電池電壓（V）升壓輸出電（V） 逆變輸出電壓（V）PWM占空比（%）LED顯示12.81 12.32 12.45 0 1212.81 32.33 32.58 12 3312.81 35.37 35.40 25 3512.81 36.50 37.01 33 3712.81 42.3 42.8 50 4312.81 50.9 51.3 60 51注:以上數(shù)據(jù)均用VC101型4位半數(shù)字萬用表測得改變SPWM波形的頻率后輸出的交流電壓的頻率也隨之改變，記錄的結(jié)果如表2-2所示。表 2-2SPWM頻率（Hz） 輸出電壓頻率（Hz） LED顯示30 31.2 3050 52.1 5080 84.3 80120 125.7 120250 260.4 250注：以上數(shù)據(jù)均用RIGOL DS1102C型數(shù)字示波器測得2.9 實(shí)物圖（如圖2.13）圖2.13 系統(tǒng)實(shí)物圖3 結(jié)論通過對各個(gè)功能模塊的檢測及系統(tǒng)的整體測試，本系統(tǒng)基本上滿足了設(shè)計(jì)初預(yù)定的設(shè)計(jì)要求：實(shí)現(xiàn)了交流正弦波輸出，用示波器觀察有失真；實(shí)現(xiàn)了數(shù)字鍵盤控制及 LED 數(shù)碼顯示；實(shí)現(xiàn)了輸出電壓可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍在 AC 12.3V-50V；實(shí)現(xiàn)了輸出頻率可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍主電路電壓反饋電路驅(qū)動電路4*4 鍵盤單片機(jī)最小系統(tǒng)蓄電池LED 顯示在 30Hz-250Hz。在論文中對此逆變電源的主電路拓?fù)?、工作原理和控制方法給出了詳細(xì)的分析，對一些設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算公式從理論上給出了推導(dǎo)過程。并獲取了大量測試數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了軟件校正。本設(shè)計(jì)關(guān)于逆變電源方面所做的研究工作只是一個(gè)階段性的工作，還有很多研究內(nèi)容需要繼續(xù)深入研究。展望后續(xù)工作，可望在以下幾個(gè)方面取得進(jìn)一步的進(jìn)展：（1）本文中環(huán)全數(shù)字化逆變電源只實(shí)現(xiàn)了單環(huán)控制，電容電流瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)還沒有實(shí)現(xiàn)，這部分工作有待于進(jìn)一步完成。（2）本文中只實(shí)現(xiàn)了過流、過熱保護(hù)，還直流母線欠壓、過載等保護(hù)還沒有實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)還有待于進(jìn)一步完成。（3）在數(shù)字化逆變電源中引入一個(gè)變壓器偏磁控制環(huán)或?qū)ζ胚M(jìn)行補(bǔ)償控制，特別是在大功率數(shù)字化控制系統(tǒng)逆變電源中顯得十分必要，這部分工作有待于進(jìn)一步完成。隨著電子技術(shù)的發(fā)展的不斷發(fā)展和完善，逆變電源一定會向更為智能化的方向發(fā)展，不斷的進(jìn)步和完善，應(yīng)用更為廣泛的。參 考 文 獻(xiàn)[1] 王兆安，黃?。?電力電子技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003[2] 莫正康，電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 2005Siemens SIMOVERT[3] 丁斗章，變頻調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2005[4] 彭軍.傳感器與檢測技術(shù)[M].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.11[5] 王英劍，常敏慧． 新型開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1999[6] 張衛(wèi)軍．現(xiàn)代電源變換技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2001[7] 謝文剛．三相正弦波脈寬調(diào)制（SPWM ）信號發(fā)生器．電源技術(shù)應(yīng)用，2002年第9期[8] 康光華，陳大軟， 張林． 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M] ．北京：高等教育出版社，2006[9] 張維璽．信號與系統(tǒng)[M] ．北京：科學(xué)工業(yè)出版社.，2004[10] 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2006.3[11] 丁元杰. ．單片微機(jī)原理及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.1[12] 周立功．ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005[13] 周立功．ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005[14] 吳明輝，基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用．北京：人民郵電出版社，2004[15] 朱代祥．單相正弦脈寬調(diào)制逆變電源的設(shè)計(jì)．維普，2004[16] Pressman AL．Switching and Linear Power Converter Design．1997[17] RaShid M H．Power Electronics．Prentice-Hall，Inc，1988 [18] ARM公司 ．ARM Architecture Reference Manual．ARM公司， 2000[19] ARM Limteel，ARM Development Guide．2000-2001The Design and Implement of Inverter Software Made by ARMClass One of Electrical engineering and automation WuGuang Instructor: FanFanglingAbstract In this paper, the design of single-phase PWM inverter power source is AC power (DC-AC inverter), the use of voltage feedback control, through the interruption of power flux and method of adjusting the duty cycle to change the drive voltage and pulse width to adjust the output voltage. Constitute the main circuit is used BOOST circuit and a combination of full-bridge circuit. LM3S1138 the design for the control of the microprocessor core of the inverter power system, from 4 * 4 keyboard LM3S1138 different microprocessor control of PWM duty cycle and wave of SPWM wave of different frequencies. Chips with integrated control circuit components match with legislation simpler and more reliable features and advantages of easy to debug. In this paper, a detailed analysis of the working process of the power inverter, and derived an important formula. Finally, the inverter power supply for the computer simulation and in-kind production, to verify its feasibility and effectiveness .Key word Inverter;SPWM;LM3S1138;MOSFET