基于51单片机的逆变电源的设计.docx

基于51单片机的逆变电源的设计.docx

《基于51单片机的逆变电源的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51单片机的逆变电源的设计.docx（51页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于51单片机的逆变电源的设计

基于51单片机的逆变电源的设计

毕业设计（论文）

题目：

基于51单片机的逆变电源设计

学生：

学院（系）：

电子信息学院

专业班级：

电气

指导教师：

叶刚

辅导教师：

叶刚

时间：

4硬件部分11

附录143

附录246

附录347

长江大学毕业论文（设计）任务书

学院（系）电信学院专业电气自动化班级10704

学生姓名陈慧指导教师/职称叶刚/讲师

1.毕业论文（设计）题目：

基于51单片机的逆变电源设计

2.毕业论文（设计）起止时间：

2011年2月20日～2011年6月10日

3．毕业论文（设计）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）

[1]魏伟.正弦波逆变电源的研究现状与发展趋势[J].电气技术,2008,（11）．

[2]谈扬宁,朱兆优,王海涛.基于PICFxx单片机控制的正弦波逆变电源[J].电子元器件应用,2009,（08）．

[3]杨庆江,李晔,包西平.一种应用于独立光伏系统的新型逆变器[J].太阳能,2007,（01）

[4]赵建武.单相SPWM逆变电源仿真设计[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版）,2008,（03）.

[5]张竹,张代润,何易桓,王超.一种多功能逆变电源的设计与实现[J].电源世界,2009,（01）.

4．毕业论文（设计）应完成的主要内容

（1）通过上网及图书馆等途径，查阅传统逆变电源装置的结构及工作原理，针对其存在弊端，提出自己的设计方法。

（2）第一，主电路的设计；第二，控制回路的设计。

5．毕业论文（设计）的目标及具体要求

（1）具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：

RS和RL在给定范围内变化时，使

，相对偏差的绝对值不大于1%。

（2）具有频率跟踪功能：

当fREF在给定范围内变化时，使uF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。

（3）当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率≥60%。

（4）当RS=RL=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤5%。

（5）具有输入欠压保护功能，动作电压Ud（th）=（25±0.5）V。

（6）具有输出过流保护功能，动作电流Io（th）=（1.5±0.2）A。

6、完成毕业论文（设计）所需的条件及上机时数要求

开发仪器及软件：

PC机一台、proteus或pspice仿真软件。

上机时数>120学时=

任务书批准日期年月日教研室（系）主任（签字）

任务书下达日期年月日指导教师（签字）

完成任务日期年月日学生（签名）

长江大学

毕业设计开题报告

题目名称基于51单片机的逆变电源设计

院（系）电子信息学院

专业班级电气10704

学生姓名陈慧

指导教师叶刚

辅导教师叶刚

开题报告日期2011年3月11日

基于51单片机的逆变电源设计

学生：

陈慧，电子信息学院

指导教师：

叶刚，电子信息学院

一、题目来源

实验室建设

二、研究目的和意义

逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。

随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。

逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。

相应的应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求，因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。

逆变电源技术是一门综合性的专业技术，逆变电源作为一种产生交流电的装置，它具有以下优点：

①变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；②变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电，也能将三相交流电转换为单相交流电；③逆变电源能将直流电转换为交流电；④逆变电源能将低质量的市电转换为高质量的稳压稳频的交流电。

21世纪是能源与环保的世纪。

能源的开发、资源的利用与环境保护相互协调的发展，是21世纪世界经济发展的基础。

在这个世纪里，节省能源与开发新能源，提高燃料的利用率与减少燃料产生的污染已成为必须要解决的重要课题。

尤其其中的逆变技术，它的作用是从市电电网上得到已遭污染的定压定频交流“粗电能”，或从蓄电池、太阳能电池、燃料电池等得到的电能质量比较差的直流原始电能，变换成电能质量较高、较能满足用户负载对电压和频率要求的交流电能。

鉴于逆变电源优点很多，逆变电源将逐渐取代旋转型变流机组。

随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。

逆变就是对电能进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变换成交流电的功能。

现代逆变技术是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的学科，这门学科综合了现代电力电子开关器件技术、现代功率变换技术、模拟和数字电子技术、PWM技术、开关电源技术和现代控制技术等多种实用设计技术，已被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。

早期的变频电源，只需要其输出电压、频率可调即可，然而，今天的变频电源除这些要求外，还必须环保无污染，即绿色环保变频电源。

因而高性能的变频电源必须满足:

（l）高的输入功率因数，低的输出阻抗；

（2）快速的暂态响应，稳态精度高;（3）稳定性高，效率高，可靠性高；（4）低的电磁干扰；（5）智能化。

由于传统的变频电源采用模拟控制技术，难以实现上述要求。

因而，研究数字化控制技术的绿色变频电源技术，对当今提出的“节能、高效、绿色、环保”工业口号的实现具有重要意义。

三、阅读的主要参考文献及资料名称

[1]魏伟.正弦波逆变电源的研究现状与发展趋势[J].电气技术,2008,（11）．

[2]谈扬宁,朱兆优,王海涛.基于PICFxx单片机控制的正弦波逆变电源[J].电子元器件应用,2009,（08）．

[3]杨庆江,李晔,包西平.一种应用于独立光伏系统的新型逆变器[J].太阳能,2007,（01）

[4]赵建武.单相SPWM逆变电源仿真设计[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版）,2008,（03）.

[5]张竹,张代润,何易桓,王超.一种多功能逆变电源的设计与实现[J].电源世界,2009,（01）.

四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向

逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。

逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，到目前为止，它已经历了三个发展阶段。

第一代逆变电源是采用晶闸管（SCR）作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。

可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型变流机组，但由于SCR是一种没有自关断能力的器件，因此必须增加换流电路来强迫关断SCR，但换流电路复杂、噪声大、体积大、效率低等原因却限制了逆变电源的进一步发展。

第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。

自20世纪70年代后期，各种自关断器件相运而生，它们包括可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。

自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能，逆变器采用自关断器件的好处是：

①简化了主电路。

由于自关断器件不需要换流电路，因而主电路得以简化、成本降低、可靠性提高；②提高了性能。

由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而使逆变桥输出电压中低次谐波含量大大降低，因而使输出滤波器的尺寸得以减小，逆变电源的动态特性及对非线性负载的适应性也得以提高。

在自关断器件当中，IGBT以其开关频率高、通态压降小、驱动功率小、模块的电压电流等级高等优点已成为中小功率逆变器的首选器件。

IGBT逆变电源已成为中小型逆变电源的主流。

第二代逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的SPWM控制技术。

第二代逆变电源所采用的控制方法具有结构简单、容易实现的优点，但由于它所采用的SPWM控制技术只注重如何通过恰当设计开关模式来实现逆变器输出频谱的优化，没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，所以存在以下缺点：

①对非线性负载的适应性不强。

当逆变电源输出带非线性负载时，负载电流中的低次谐波电流将流过电源的内阻，引起输出电压波形畸变；②死区时间的存在将使SPWM波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压波形发生畸变；③动态特性不好。

负载突变时输出电压调整时间长。

之所以出现这种情况，是因为系统中仅存在电压平均值或有效值反馈，而没有瞬时值反馈；④给定电压与输出电压之间的相位差受负载影响较大，在三相电源中，三相输出之间的相差不易满足120°要求。

第三代逆变电源采用了实时反馈控制技术，使逆变电源的性能得到提高。

实时反馈控制技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动态特性不好的缺点提出来的，它是近十年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。

实时反馈控制技术多种多样，主要有以下几种[5-9]：

①重复控制；②谐波补偿控制；③无差拍控制；④单一的电压瞬时值控制；⑤带电流内环的电压瞬时值反馈控制。

其中以第五种控制方法因实现方便，逆变电源动态性能优越和对负载的适应性强等优点而被广泛采用。

五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路

1、主要研究内容设计

逆变主电路，控制电路，采用51单片机进行软件设计及仿真，我选用单相SPWM正弦波逆变电源

下图是系统结构图：

图1系统结构图

2、重点问题及解决思路

首先是主电路的设计，选择合适的电路和器件类型很重要，参数要求也要尽量达到，需要仔细计算，我会参考已有的设计互相比较选择较好的电路。

图1逆变器的主电路图

其次是开关管驱动信号的形成，通过深入学习其调制方法原理选择合适的驱动信号。

图2SPWM波形

最后是单片机的型号选择和proteus仿真，控制电路的设置对这方面很重要，反复尝试，反复调试以达到要求。

六、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件

工具书：

电力电子技术，单片机原理实用教程，网络文献等。

计算机辅助设计：

Proteus仿真软件等。

七、工作的主要阶段、进度与时间安排

2011年02月25日—03月11日：

根据指导老师下达的毕业设计任务书，确定论文的主要内容并写好开题报告，交给指导老师。

2011年03月12日—05月20日：

在现有的基础条件下，定期和指导老师联系，进行课题设计论文的写作，完成初稿，并交给指导老师评定。

2011年05月25日—05月31日：

根据指导老师的修改意见修改设计，并根据标准的设计论文格式打印论文修改稿，交给指导老师评定。

2011年06月01日—06月10日：

通过指导老师评定，毕业设计论文定稿毕业设计论文要求装订完毕。

并充分准备，进行毕业答辩。

八、指导教师审查意见

长江大学毕业设计（论文）指导教师审查意见

学生姓名

专业班级

毕业论文

（设计）题目

指导教师

职称

评审日期

评审参考内容：

毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。

学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。

评审意见：

指导教师签名：

评定成绩（百分制）：

_______分

长江大学毕业设计（论文）评阅教师评语

学生姓名

专业班级

毕业论文

（设计）题目

评阅教师

职称

评阅日期

评阅参考内容：

毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。

学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。

评语：

评阅教师签名：

评定成绩（百分制）：

_______分

毕业设计（论文）答辩记录及成绩评定

学生姓名

专业班级

毕业论文

（设计）题目

答辩时间

年月日～时

答辩地点

一、答辩小组组成

答辩小组组长：

成员：

二、答辩记录摘要

答辩小组提问（分条摘要列举）

学生回答情况评判

三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：

_______分

毕业论文（设计）最终成绩评定（依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文（设计）评分的相关规定）

等级（五级制）：

_______

答辩小组组长（签名）：

秘书（签名）：

年月日

院（系）答辩委员会主任（签名）：

院（系）（盖章）

基于51单片机的逆变电源设计

学生：

陈慧电子信息学院

指导老师：

叶刚电子信息学院

【摘要】逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。

随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。

与此同时应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求，因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。

随着数字信号处理技术的发展，以SPWM控制方式设计的逆变电源越来越受到青睐。

本论文叙述的就是一种基于51系列单片机设计的SPWM逆变电源。

该电源以18V直流电压为输入，通过升压环节与SPWM逆变环节，得到了设定频率与电压的优质正弦交流电。

它采用MOSFET作为功率器件，IR2110作为MOSFET的驱动芯片，并采用恒U/F的控制策略;逆变部分采用单片机数字化SPWM控制方式，以尽可能地减少谐波。

由于采用了基于单片机的数字化技术,使得电源调节灵活、性能可靠,为性能要求高的仪器设备提供了一种高品质的交流电源。

【关键字】逆变电源SPWM单片机

Thedesignoftheinverterpowerbasedon51single-chipmicrocomputer

Student:

ChenHuiElectronics＆InformationCollege

Teacher:

YeGangElectronics＆InformationCollege

【Abstract】Inverterisakindofusingpowerelectronictechnologyforelectricpowertransformationdevice,itfromacordcInputvoltageofexchangeobtainedconstantfrequencyoutput.Withthedevelopmentofthepowerelectronictechnology,theapplicationofinverterpowersupplyismoreandmoreextensive,itacrosstheelectricpower,electron,microprocessorandautomaticcontrolmulti-disciplinaryfield,isoneofthehotspotsofthepowerelectronicsindustryandscientificresearch.Meanwhileapplicationsystemsubsequentlyputtheoutputvoltagewaveformcharacteristicsofinverterpowersupplyforwardmoreandmorehighdemand,becausethepoweroutputwaveformqualitydirectlyrelatestothewholesystemsafetyandreliabilityindex.

Alongwiththedigitalsignalprocessingtechnologydevelopment,thecontrolmodedesignwithSPWMinverterpowersupplymoreandmorebefavorred.ThisarticledescribesaSPWMinverterpowersupplybasedonthe51seriesmicrocontroller.Thepowerinputis18Vdcvoltage,throughpressurizationlinkandSPWMinverterlink,gotsinusoidalalternatingcurrentoftheprosetfrequencyandsettingqualityvoltage.ItusesMOSFETaspowerdevices,IR2110asdrivechip,andtheMOSFETusingconstantU/Fcontrolstrategy;Theinverterpartadoptssingle-chipmicrocomputerdigitalSPWMcontrolmode,toreducetheharmonicaspossible.Becauseoftheuseofdigitaltechnologybasedonsinglechip,makespoweradjustmentflexibleandreliableperformance,fortheequipmentofhighperformancerequirementsprovidesahighqualityacpower.

【Keywords】inverterpowerSPWMsinglechip

基于51单片机的逆变电源设计

1前言

逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置。

随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，但应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求，因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。

随着现代科技的发展,逆变电源广泛应用到各行各业,进而对其性能提出了更高的要求。

传统的逆变电源多为模拟控制或数字相结合的控制系统。

好的逆变电源电压输出波形主要包括稳态精度高,动态性能好等方面。

目前逆变器结构和控制,能得到良好的正弦输出电压波形,但对突变较快的波形,效果不是很理想。

随着数字信号处理技术的发展，以SPWM控制方式设计的逆变电源越来越受到青睐。

本文介绍的SPWM逆变电源就是采用51单片机来实现SPWM控制和正弦波方式输出，而且电路简单，性能安全可靠，灵活性强，同时可以降低谐波，提高效率。

2选题背景

2.1目的和意义

逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。

随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。

逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。

相应的应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求，因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。

逆变电源技术是一门综合性的专业技术，逆变电源作为一种产生交流电的装置，它具有以下优点：

①变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；②变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电，也能将三相交流电转换为单相交流电；③逆变电源能将直流电转换为交流电；④逆变电源能将低质量的市电转换为高质量的稳压稳频的交流电。

21世纪是能源与环保的世纪。

能源的开发、资源的利用与环境保护相互协调的发展，是21世纪世界经济发展的基础。

在这个世纪里，节省能源与开发新能源，提高燃料的利用率与减少燃料产生的污染已成为必须要解决的重要课题。

尤其其中的逆变技术，它的作用是从市电电网上得到已遭污染的定压定频交流“粗电能”，或从蓄电池、太阳能电池、燃料电池等得到的电能质量比较差的直流原始电能，变换成电能质量较高、较能满足用户负载对电压和频率要求的交流电能。

鉴于逆变电源优点很多，逆变电源将逐渐取代旋转型变流机组。

随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。

逆变就是对电能进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变换成交流电的功能。

现代逆变技术是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的学科，这门学科综合了现代电力电子开关器件技术、现代功率变换技术、模拟和数字电子技术、PWM技术、开关电源技术和现代控制技术等多种实用设计技术，已被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。

早期的变频电源，只需要其输出电压、频率可调即可，然而，今天的变频电源除这些要求外，还必须环保无污染，即绿色环保变频电源。

因而高性能的变频电源必须

满足:

（l）高的输入功率因数，低的输出阻抗；

（2）快速的暂态响应，稳态精度高;（3）稳定性高，效率高，可靠性高；（4）低的电磁干扰；（5）智能化。

由于传统的变频电源采用模拟控制技术，难以实现上述要求。

因而，研究数字化控制技术的绿色变频电源技术，对当今提出的“节能、高效、绿色、环保”工业口号的实现具有重要意义。

2.2现阶段发展状况

逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。

逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，到目前为止，它已经历了三个发展阶段。

第一代逆变电源是采用晶闸管（SCR）作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。

可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型变流机组，但由于SCR是一种没有自关断能力的器件，因此必须增加换流电路来强迫关断SCR，但换流电路复杂、噪声大、体积大、效率低等原因却限制了逆变电源的进一步发展。

第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。

自20世纪70年代后期，各种自关断器件相运而生，它们包括可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。

自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能，逆变器采用自关断器件