基于ARM的逆變電源軟件設計與實現

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基于 ARM 的逆變電源軟件設計與實現電氣工程與自動化專業(yè)（一）班 伍光 指導教師 范方靈摘要 本文設計的單相脈寬調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節(jié)占空比的方法來改變驅動電壓脈沖寬度來調整和穩(wěn)定輸出電壓。其主電路構成采用的是 BOOST 電路和全橋電路的組合。本設計以微處理器 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，更可靠的特點和易于調試的優(yōu)點。本文詳細的分析了該逆變電源的工作過程，并推導了重要公式。最后對該逆變電源進行了計算機仿真和實物制作，驗證了其可行性和有效性。關鍵詞 逆變，SPWM，場效應管，LM3S11381 緒論逆變電源是一種采用電力電子技術進行電能變換的裝置，它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓恒頻的交流輸出。逆變電源技術是一門綜合性的專業(yè)技術，它橫跨電力、電子、微處理器及自動控制等多學科領域，是目前電力電子產業(yè)和科研的熱點之一。逆變電源廣泛應用于航空、航海、電力、鐵路交通、郵電通信等諸多領域。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)等電力匱乏時常需要正弦波逆變不間斷電源。需求分析：可應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、繼電保護等提供不間斷電力。 國內外研究現狀：逆變電源可以把直流電轉換為單相正弦交流電。供用電設備使用。目前，市場提供的大部分產品均為方波逆變器。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候人們一直用旋轉型變流機組產生交流電，其原動機可以是油機，也可以是電動機，輸出交流電壓是發(fā)電機發(fā)出的。但旋轉型變流機組存在噪聲大、輸出電壓的動態(tài)特性差、機械損耗和電能損耗較大、效率較低、設備龐大笨重、操作不夠靈活等諸多弊病，于是人們一直尋求新型產生交流電的裝置。逆變電源也是一種產生交流電的裝置，它具有以下優(yōu)點：其一，變頻，逆變電源能將市電轉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換為三相交流電，也能將三相交流電轉換為單相交流電；其三，逆變電源能將直流電轉換為交流電；其四，逆變電源能將低質量的市電轉換為高質量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。于是逆變電源將逐漸取代旋轉型變流機組。目前，逆變電源技術的核心部分是逆變器和其控制部分，雖然自關斷器件的產生簡化了主電路，但它的開關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趨于成熟，但有些控制方法實現起來仍很困難。因此，對逆變電源技術進行深入的研究有很大的現實意義。1.3 本課題設計內容及要求1.3.1 本課題設計主要內容(一) 在逆變電源技術的研究方面，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的性能及優(yōu)缺點進行對比分析，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、驅動部分、變壓器部分和濾波器部分。（四） 利用單片機對逆變電源 SPWM 部分、死區(qū)部分、電壓有效值外環(huán)及電壓瞬時值內環(huán)部分實現全數字化，并進行數字化控制。1.3.2 本課題設計要求功能特點：正弦波輸出;可以設置輸出所需電壓和頻率;全數字控制;數碼顯示。技術指標：輸出頻率范圍為 ;30~8Hz輸出電壓范圍為 AC ;25V輸出電壓波形應盡量接近正弦波，用示波器觀察無明顯失真。2 逆變電源設計2.1 可行性分析設計思路：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，經低通濾波器得到正弦波輸出。系統(tǒng)為全數字控制，控制和 SPWM 皆用Luminary ARM 芯片產生，可以設置輸出所需電壓和頻率的正弦波。并有相應的保護功能。應用的技術分析：該課題涉及到電力電子技術、計算機技術等。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，還能實現穩(wěn)壓、保護、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 轉換輸出， 精密時基；具有實時反饋輸入輸出，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)時間可調、內置軟啟動電路、逐個脈沖kHz關斷、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/吸收電流給出驅動電路等特點。3、使用 ARM 芯片功能更加強大，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周期內，將直流電能轉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，經過濾波得到正弦波交流電。能實現參數顯示和上位機通訊。因此我們選擇使用 ARM 芯片的方案。設計重點難點：逆變驅動和電流采樣的硬件設計，控制軟件設計。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） ，此電壓經過 Boost 電路進行升壓，通過控制驅動 IGBT 的 PWM 波形的占空比，就可以調節(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 的過熱保護采用 89℃熱繼電器作為溫度檢測器件，其具有足夠的響應速度，能夠在 IGBT 管允許的過熱時間內將電源關斷。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撲如圖 2.2 所示。此主電路由以下幾個環(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 主電路拓撲2.5 控制電路原理圖1、IGBT 驅動電路設計結合本次設計要求，設計了一款用分立元件實現的驅動電路，電路圖如圖 2.3 所示。圖 2.3 分立元件 IGBT 驅動2、橋式 MOSFET 驅動電路設計本橋式組電路是由 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，其驅動電路如圖 2.4 所示。圖 2.4 橋式逆變器驅動電路2.6 編程實現SPWM 波是在 C P U (LM3S1138)的支持下， 由二個定時器 Timer1、Timer2 和 4 個外部中斷及接口獲得的。定時器 Timer1 完成采樣周期 T s 的定時， 定時器 Timer2 完成脈沖間隔及脈沖寬度的定時( 實際上是對`oft與`n定時) 。當 Timer1 定時時間到， C P U 響應該中斷請求， 向相應接口送出低電平( 偶次采樣) 或高電平( 奇次采樣) ， 并計算出`oft( 偶次采樣) 或`ont( 奇次采樣) 作為定時時間常數送人 T 2 并啟動 Timer2 ， 同時啟動 Timer1 繼續(xù)定時 aT。當 Timer2 定時時間到， C P U 響應該中斷請求， 向相應接口送出高電平( 偶次 采樣) 或低電平( 奇次采樣) ， 單片機等待下一個采樣 周期即Timer1 定時時間到， 重復上述過程形成 S P WM 波。 PWM 波是在 C P U (LM3S1138)的支持下，由專門的 PWM 端口產生。主程序(如圖 2.5)的一個循環(huán)產生 N 個 S P WM 脈沖， 即一個正弦波周期循環(huán)一次， 并采樣一 次頻率給定值 f ， 然后按這時的 f 生成 S P WM 控制脈沖序列。圖 2.5 主流程圖查表并計算`oft和`n時間，其部分程序：void CalSPWM(void){Uint32 *sp; /*定義一個 32 位的指針*/Uint16 i,PRD; /*讀取因子表PRD=PRD55[3];sp=(Uint32 *)0x3ff000; /*旋轉因子表的起始地址 Uint32 *sp;*/ 初 始 化讀 f并 顯 示中 斷 按 鍵 控 制f調 節(jié)Ｐ Ｗ Ｍ 的 占空 比 調 節(jié) 計 算 Tsf和 電 壓 顯 示切 換Ts裝 入 imer1并 啟 動 Timer1查 表 并 計 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];} /*補償死區(qū)時間*/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); /*使能定時器模塊 */TimerConfigure(T0_B_CFG_16_PER); /* 配置 TimerB 為 16 位周期定時器 */TimerPrescaleSet(T0_B , 99); /* 預先進行 100 分頻*/TimerLoadSet(T0_B , 30000UL); /* 設置定時器初值 */TimerIntEnable(T0_B_INT_TIMEOUT); /* 使能 TimerB 超時中斷 */IntEnable(INT_TIMER0B); /* 使能 TimerB 中斷*/IntMasterEnable(); /* 使能處理器中斷*/TimerEnable(T0_B); /*使能 TimerB */}定時器 Timer1 用來采樣周期定時，計算出導通時間和關斷時間，并將定時時間傳給Timer2，其程序框圖如圖 2.6。Timer1 初始化程序：void timer1Init(void){SysCtlPeriEnable(SYSCTL_PERIPH_TIMER0); /*使能定時器模塊 */TimerConfigure(T0_B_CFG_16_PER); /* 配置 16 位定時器 */TimerPrescaleSet(T0_B , 99); /* 預先進行 100 分頻*/TimerLoadSet(T0_B , 30000UL); /*設置定時器初值*/TimerIntEnable(T0_B_INT_TIMEOUT); /*使能 TimerB 超時中斷*/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)產生不同占空比的 PWM 波，和不同頻率的 SPWM波，并能進行顯示模式的切換，其程序框圖圖 2.7。Timer1定 時 器 中 斷 程 序采 樣 次 數 R0+1指 針 R1+Ｔ s裝 入 Timer1并 啟 動 Timer1查 表 取 值 并 計 算 ton、 tf返 回4*鍵 盤LM3S18產 生 不 同 占 空 比 的PWM 產 生 不 同 頻 率 的SPWM顯 示 電 壓 或 頻 率圖 2.7 鍵盤流程圖2.7 實測各種波形圖 2.8 是兩路帶死區(qū)時間相位相差 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是占空比可調節(jié)的PWM波形，用來控制BOOST電路部分IGBT的開通和關斷狀態(tài)。圖2.10 占空比可調的PWM波形圖 2.11 是未經過濾波的輸出波形，其正負半周都是顯 SPWM 波形狀。圖2.11 未經濾波的輸出波形圖 2.12 是經過 LC 電路濾波后的輸出波形，其形狀以接近正弦波。圖2.12 經過LC濾波的輸出波形2.8 數據記錄改變 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:以上數據均用VC101型4位半數字萬用表測得改變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：以上數據均用RIGOL DS1102C型數字示波器測得2.9 實物圖（如圖2.13）圖2.13 系統(tǒng)實物圖3 結論通過對各個功能模塊的檢測及系統(tǒng)的整體測試，本系統(tǒng)基本上滿足了設計初預定的設計要求：實現了交流正弦波輸出，用示波器觀察有失真；實現了數字鍵盤控制及 LED 數碼顯示；實現了輸出電壓可調，調節(jié)范圍在 AC 12.3V-50V；實現了輸出頻率可調，調節(jié)范圍主電路電壓反饋電路驅動電路4*4 鍵盤單片機最小系統(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撲、工作原理和控制方法給出了詳細的分析，對一些設計參數的計算公式從理論上給出了推導過程。并獲取了大量測試數據，在此基礎上進行了軟件校正。本設計關于逆變電源方面所做的研究工作只是一個階段性的工作，還有很多研究內容需要繼續(xù)深入研究。展望后續(xù)工作，可望在以下幾個方面取得進一步的進展：（1）本文中環(huán)全數字化逆變電源只實現了單環(huán)控制，電容電流瞬時值內環(huán)還沒有實現，這部分工作有待于進一步完成。（2）本文中只實現了過流、過熱保護，還直流母線欠壓、過載等保護還沒有實現，具體實現還有待于進一步完成。（3）在數字化逆變電源中引入一個變壓器偏磁控制環(huán)或對偏磁進行補償控制，特別是在大功率數字化控制系統(tǒng)逆變電源中顯得十分必要，這部分工作有待于進一步完成。隨著電子技術的發(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，不斷的進步和完善，應用更為廣泛的。參 考 文 獻[1] 王兆安，黃俊． 電力電子技術[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003[2] 莫正康，電力電子應用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社， 2005Siemens SIMOVERT[3] 丁斗章，變頻調速技術與應用[M].北京.機械工業(yè)出版社，2005[4] 彭軍.傳感器與檢測技術[M].陜西：西安電子科技大學出版社，2003.11[5] 王英劍，常敏慧． 新型開關電源實用技術[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1999[6] 張衛(wèi)軍．現代電源變換技術及應用[M]．北京：科學出版社，2001[7] 謝文剛．三相正弦波脈寬調制（SPWM ）信號發(fā)生器．電源技術應用，2002年第9期[8] 康光華，陳大軟， 張林． 電子技術基礎[M] ．北京：高等教育出版社，2006[9] 張維璽．信號與系統(tǒng)[M] ．北京：科學工業(yè)出版社.，2004[10] 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應用[M].北京：高等教育出版社，2006.3[11] 丁元杰. ．單片微機原理及應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007.1[12] 周立功．ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].．北京：北京航空航天大學出版社，2005[13] 周立功．ARM微控制器基礎與實踐[M].．北京：北京航空航天大學出版社，2005[14] 吳明輝，基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用．北京：人民郵電出版社，2004[15] 朱代祥．單相正弦脈寬調制逆變電源的設計．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