车载逆变电源研究毕业论文

摘 要 军用野外自主供电技术是现代战争条件下武器装备有效运行的关键技术问题，随着逆变技术和各种功率器件的飞速发展，车载逆变电源的小型化、高效化已成为可能。本文在对几种典型的逆变电路拓扑仿真分析的基础上，通过对车载逆变电源设计的理论性分析，仔细阐述了DC/DC升压变换器的控制环节的补偿方法，提出了一种校正环节来对变换器开环系统的零极点进行补偿，并对所提出的校正环节及其对系统的补偿参数作了计算。根据车载逆变电源的特点，设计制作了一种方波型逆变电源。结合调试过程中的问题，重点对影响逆变电源效率的各种因素(包括软开关技术)进行了仿真和实验分析，得出了许多有益的结果，获得了一系列关于电源开关器件的选择、变压器设计参数和绕制方法的选择、软开关电路中谐振电容和电感的调节等对逆变电源效率的提高有显著作用的结论，为下一步野战条件下逆变电源的设计提供了较好的依据。关键词: 逆变电源效率 移相控制 软开关 Abstract Mi1itary field self-determination power supply technology is the key matter for weapon equipments to work in effect. With the development of invert technology and variety of Power elements，it is Possible for vehicle-based inverter to become less volume and more efficient. This paper is based on the simulation analysis of some typical invert circuit topology. Through the characters of vehicle-based inverter，the paper describes compensation methods of DC/DC converter. It puts forwards an adjust trachea to compensate the zero point and the polar point. Besides these，the paper designs and makes a pulse-wave inverter. Combined with some problems in debugging，it Puts most emphases on the factors which affect the efficiency of inverter: does some simulation and experiments analysis and gets a lot useful results. The paper gets a serious of significant results on how to improve efficiency of inverter such as the choice of switch parts，the choice of parameters of transformer design，and the adjustment of synchrony capacitance and loop inductance，which offers better measures for later design of inverters under field operation conditions.Keywords: inverter efficiency phase一shift control soft-switching目 录第1章 绪 论- 1 -1.1车载逆变电源- 1 -1.2 车载逆变电源研究发展历程- 2 -1.3 国内外车载逆变电源的发展- 4 -1.4 车载逆变电源的要求和特点- 5 -1.5 车载逆变电源的主要研究内容- 9 -第2章 系统原理分析- 11 -2.1 逆变原理- 11 -2.1.1 逆变电路的工作原理- 11 -2.1.2 单相全桥逆变电路- 12 -2.2 H桥驱动电路- 13 -2.3 脉宽调制技术及其原理- 16 -2.3.1 生成SPWM波的基本原理- 16 -2.3.2 调制过程特征- 18 -2.4 正弦波脉宽调制技术的实现方法- 20 -2.4.1软件生成法- 20 -2.4.2硬件调制法- 21 -2.5 PID控制原理与程序流程- 22 -2.5.1控制系统的基本概念- 22 -2.5.2 模拟PID调节器- 23 -2.5.3 数字PID控制器- 24 -2.5.4 位置型PID算法的程序流程- 26 -第3章 硬件电路设计- 29 -3.1车载逆变电源系统的设计思路及指标- 29 -3.2 控制电路- 30 -3.2.1 PIC16F73及其应用- 30 -3.3 驱动电路- 34 -3.3.1 IR2110简介及其应用- 34 -3.3.2 驱动模块电路设计- 36 -3.4 全桥逆变电路- 37 -3.5 检测与保护电路- 40 -3.5.1 电压互感器工作原理和技术特性- 40 -3.5.2电压检测电路- 41 -3.5.3 电流互感器的工作原理和工作特性- 42 -3.5.4 电流检测电路- 43 -3.5.3输出保护电路- 44 -第4章 系统软件设计- 46 -4.1 主程序图- 46 -4.2 中断程序设计- 48 -总 结- 50 -致 谢- 51 -参 考 文 献- 52 -附录1: 车载逆变电源原理图- 54 -附录2： 车载逆变电源元器件清单- 55 - 58 -第1章 绪 论1.1 车载逆变电源电源是电子设备的动力部分,是一种通用性很强的电子产品。它在各个行业及日常生活中得到了广泛的应用，其质量的好坏极大地影响着电子设备的可靠性,其转换效率的高低和带负载能力的强弱直接关系着它的应用范围。车载电源又叫电源逆变器，是一种能够将DC12V直流电转换为和市电相同的AC220V交流电，供一般电器使用，是一种方便的电源转换器，由于常用于汽车而得名。车载电源一般使用汽车电瓶或者点烟器供电，先将这样的低压直流电转换为320V左右的直流电；然后是真正的转变阶段，它将高压的直流电转变为220V、50Hz的交流电。有了车载电源，您就可以把家里所有的小家电搬到车上使用，如手机、笔记本电脑、数码相机、车用冰箱、摄像机、DVD等，从而使人在车里有一种置身家中的感觉。自它面世以后，那些在车里使用电器的诸多局限将不复存在，可以使人真正享受“与家同行，与世界相通”的感觉。汽车内部的供电系统是由蓄电池提供的12V（或24V）的直流电，随着汽车的普及以及汽车上的用电设备都是用交流电。如果能将蓄电池提供的直流电转换成稳定的交流电输出，将对人们在户外使用这些设备带来极大的方便，通过把12V的蓄电池电源转换为工频使用电源，用于车载内部的电器，是一种简单，廉价的方式。主电路设计中采用了简单的全桥逆变电路，过压、过流和欠压保护电路，以及几款简单的芯片。经济性能良好，使用方便。就本系统的性能稳定性而言，由于未设计复杂的电路进行干扰的情况。并且输出稳定，价格优良，是一款性价比很高的系统。车载逆变电源就原理而言是将汽车发动机的直流电转换为交流电，按照输出波形来分，车载逆变电源可分为正弦波输出和方波输出两种。前者提供1.2 车载逆变电源研究发展历程车载电源又叫电源逆变器，是一种能够将DC12V直流电转换为和市电相同的AC220V交流电，供一般电器使用，是一种方便的电源转换器，由于常用于汽车而得名。车载电源一般使用汽车电瓶或者点烟器供电，先将这样的低压直流电转换为320V左右的直流电；然后是真正的转变阶段，它将高压的直流电转变为220V、50Hz的交流电。有了车载电源，您就可以把家里所有的小家电搬到车上使用，如手机、笔记本电脑、数码相机、车用冰箱、摄像机、DVD等，从而使人在车里有一种置身家中的感觉。自它面世以后，那些在车里使用电器的诸多局限将不复存在，可以使人真正享受“与家同行，与世界相通”的感觉。目前的逆变器如果直观其电路结构，无一例外地采用开关电源专用双端驱动IC组成它激式逆变电路。此类驱动集成电路都具有几乎相同的功能方框图，只是具体组成有差别。由于设计用于大功率开关电源驱动器，IC内部除设有两路时序不同的驱动输出外，还有死区时间设定电路，PWM稳压电路和开关电流控制电路，由其组成逆变电源，不仅效率、可靠性大为提高，功能也更为完善。大功率变换器（包括逆变器）的电路结构无一例外采用推挽、半桥或桥式开关电路。用于中、小功率DC/AC逆变DC供电为蓄电池，显然，采用串联供电的半桥式或桥式电路是不适宜的。一般采用饱和压降较小的锗大功率管作推挽开关(例如常见UPS电源中的MJ11033)，在12V24V供电下求得较高的效率。如果说自激式变换器属第一代产品，那么，第二代产品应属它激发驱动的双极型开关管变换器（原有UPS大多为这种电路）。第二代产品效率、可靠性远高过第一代产品，但也存在着固有的弱点。为了将12V直流变成220V交变电压，且同时得到一定的输出功率，首先开关管的电流必须足够大。例如Aixcom生产的变换器，输出功率为200W时，要求开关管Vceo为40V。如按第二代产品的方式采用双极型开关管时，由于大功率管HFE极少超过20，要求其基极驱动电流必须在2A以上，以致驱动IC的输出需经过至少三级放大，才能满足需要（例如UPS600中，由中功率管8050、大功率管TIP41C作驱动放大器，驱动4只MJ4502)，显然使电路复杂化，调试也极困难。在此基础上出现了第三代交换器，而此类产品正以极快的速度普及于变换器、开关电源中。Aixcom公司开发的汽车逆变器，可认为是此类产品的典型应用。第三代开关变换器基于MOSFET管的电压控制特性进行工作，理论上说这种加强型绝缘栅场效应管无需驱动功率，因此不存在驱动电流的多次放大，驱动IC只要使MOS绝缘栅充电过程中输出一定的脉冲幅度，即可使开关管导通，然而其栅极并不消耗功率。开关管导通后，绝缘栅形成的电容又在脉冲下降为低电平时通过驱动IC放大形成灌电流。如此一来，不仅变换器的电路极为简单，而且MOSFET管有电流自动分配功能，可以并联运用而无需加入均流电阻。一切电子设备都离不开电源提供能量，随着电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对电源的要求更加灵活多样。逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式。现代逆变技术是综合了现代电力电子开关器件的应用、现代功率变换、PWM技术、频率及相位调制技术、开关电源技术和控制技术等的一门实用设计技术。经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大的突破和进步。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可使中小型开关电源工作频率达到400KHZ，软开关技术使高频开关电源的实现变成了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高1。开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前的小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新领域的应用，推动到了高新技术产品的小型化、轻便化，另外开关电源的发展与应用在节约资源与保护环境方面都具有深远的意义3。21世纪开关电源的发展技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：小型化、轻量化、高频化； 高可靠性； 低噪声； 采用计算机辅助设计和控制4。正弦波逆变电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。它的功耗小，效率高，正弦波逆变电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器，此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此正弦波逆变电源具有重量轻、体积小等优点。另外，于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V±10%,而正弦波逆变电源在电网电压在110260V范围变化时,都可获得稳定的输出阻抗电压。正弦波逆变电源的高频化是电源技术发展的创新技术,高频化带来的效益是使正弦波逆变电源装置空前的小型化,并使正弦波逆变电源进入更广泛的领域,特别是在高新技术领域的应用,扒动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外正弦波逆变电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。1.3 国内外车载逆变电源的发展在国外，并网型逆变器已经可以作为比较的成熟的产品推向市场，像德国著名电气企业西门子就推出了很多具有市场化的产品，而且除欧洲的科技强国外，像美国，日本等国家已经实现了并网逆变器的产品化。现在逆变器的最大功率跟踪以及逆变环集成的单级量变换上，以及成为了研究的热点问题。类似于小功率的逆变器开发已经越来越受到人们的重视，而在这些小功率逆变器中，其控制电路主要采用数字控制，系统的安全性，可靠性以及扩展性，同时将各个完善的保护电路考虑其中。在国内，并网逆变器的研究主要集中在基于最大功率追踪及逆变部分相分离的两级能量变换结构，同时能够推向市场的逆变器并不多见。换言之，在我国，光伏并网系统并未真正意义上实现商业化，所以目前所建立的并网系统均为示范工程。最后，我国使用的并网逆变器主要还是通过进口和合作研究，这个趋势有待我们去改善。在我们国内，研究的热点是最大功率跟踪以及逆变环集成的单级量变换，但至今还没有比较完美的成品出现，缺乏对这方面的深入研究，而在国外，专业人士以研究最大功率跟踪及逆变部分相分离的两级能量变换结构为热点，而且他们做出的成品已经引入了国内进行合作研究。见表1-1所示：表1-1 国内外发展状况比较发展状况研究热点市场情况并网逆变器的开发国内最大功率跟踪以及逆变环集成的单级量变换未开发自主开发国外最大功率追踪及逆变部分相分离的两极能量变换结构已开发进口和合作研究目前国内光伏并网逆变器市场规模较小，国内生产逆变器的厂商众多，但专门用于光伏发电系统的逆变器制造商并不多，但是不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年，已经具备一定的规模和竞争力，但在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍具有较大差距.国内市场规模虽然较小，但未来光伏电站市场的巨大发展空间和发展潜力给国内企业带来发展的历史机遇。目前国内光伏逆变器主要被阳光电源、艾思玛、KACO等品牌所占领，国外企业多数通过代理渠道进入国内市场，由于售后服务提供难度大整体市场占有率不高。2008年统计数字显示，合肥阳光电源公司占据70%以上的光伏逆变器市场份额，国内重点光伏项目大功率产品几乎全部选用国内产品。国外近几年，随着西班牙、德国、美国、日本对本国光伏产业的政策扶持，全球光伏发电逆变器的销售额逐年递增，光伏发电用逆变器进入了一个快速增长的阶段。但目前全球光伏逆变器市场基本被国际几大寡头瓜分，欧洲式全球光伏市场的先驱，具备完善的光伏产业链，光伏逆变器技术处于世界领先地位。SMA是全球最早也是最大的光伏逆变器生产企业（德国市场占有率达50%以上），约占全球市场份额的三分之一，第二位是Fronius。全球前七位的生产企业占领了近70%的市场份额。从技术方面来看，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距，目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，大功率并网逆变器仍需进一步发展。1.4 车载逆变电源的要求和特点一、车载逆变器的特点：1、真正的短路保护，无论短路多长时间产品、用电器及汽车安然无恙。2、欠压、过载、过流、高温、高压、短路等多重保护功能，确保产品、用电器及汽车电路安全。3、结构及外形设计新颖，小巧美观，个性突出。4、先进的电路设计，优质的进口元件，发热量低，返修率极低。5、独有的贴片加工工艺，性能更稳定。使用范围：手机充电、笔记本电脑、灯具、摄像机、相机、小型电视、剃须刀、CD、风扇、游戏机、按摩及医疗仪器、冰箱、安防等功率.二、车载逆变器的性能特征：过载保护：当逆变器工作超过额定输出时，自动终止输出。短路保护：当负载出现短路时，自动终止输出。过流保护：当负载电流突然加大，超出额定电流时，自动终止输出。高压保护：当充电系统故障，电瓶电压上升超出规定范围时，逆变器停止工作。欠压保护：逆变器工作一段时间后，电瓶的电量逐渐降低，当低于规定范围时，逆变器停止工作。高温保护：当超过安全工作温度或通风不良引起壳体温度升高时，逆变器自动关闭。进口原件：电路先进、性能稳定、可靠耐用、环保无噪音。外观设计：精致轻巧、美观气派.，极具现代感。三、车载逆变器的主要指标输入电压：DC10V14.5V；输出电压：AC200V220V±10； 输出频率：50Hz±5；输出功率：70W150W； 转换效率：大于85；逆变工作频率：30kHz50kHz。四、车载逆变器的常用使用方法 1、将转换器放置在平坦的地方，确保开关是关的。 2、将红、黑线分别与转换器的红黑接线柱相连，带夹子的一端分别夹在电瓶的正、负极上（红线夹电瓶正极，黑线夹负极）。如果使用点烟器插头，则将插头插入点烟器插孔即可。3、将电器的电源插头插入AC插口。4、打开转换器开关，即可使用。近年来，电压源逆变器得到了广泛的应用，这是因为电压源逆变器具有如下优点:1)用电容作为直流母线上的滤波储能器件，具有体积小、重量轻、低损耗、高效率的特点;2)更适合于大多数交流负载的感性特点，不需要外加滤波电容;3)驱动感性负载时，功率器件上需要增加反并联二极管，而现在的大部分功率器件在制造的时候已经把它们封装在了一起。4)功率器件上不需要串联反向阻断二极管，就大大提高了它们的工作效率。以上的特点决定了电压源逆变器不仅大量应用于交流电机的驱动系统中，而且还广泛的应用于其它的一些逆变系统，诸如不间断电源(UPS)、一些用于功率因数矫正装置中的三相Boost整流器。由于电压调整时间长。为了克服最初的单一电，对于采用全控型器件的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PWM控制技术，其输出电压的稳定是通过输出电压有效值或平均值反馈控制的方法实现的。采用输出电压有效值或平均值反馈控制的方法具有结构简单、容易实现的优点，但存在以下缺点：对非线性负载的适应性不强；死区时间的存在将使PWM波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压出现波形畸变；动态特性不好，负载突变时输压有效值或平均值反馈控制方法的不足，实时反馈控制技术获得应用，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：(1)谐波补偿控制当逆变电源的负载为整流负载时，由于负载电流中含有大量谐波，谐波电流在逆变电源内阻上的压降致使逆变电源输出电压波形畸变，谐波补偿控制可以较好地解决这一问题，其是在逆变桥输出PWM波中加入特定的谐波，抵消负载电流中的谐波对输出电压波形的影响，减小输出电压的波形畸变。目前这种方法只能由高速的数字信号处理器来实现。(2)无差拍控制1959年，Kalman首次提出了状态变量的无差拍控制理论。1985年，Gokhale在PESC年会上提出将无差拍控制应用于逆变器控制。逆变器的无差拍控制才引起了广泛的重视。无差拍控制是一种基于微机实现的控制方法。这种控制方法根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号来推算下一个采样周期的开关时间，使输出电压在每个采样点上与给定信号相等。无差拍控制的缺点是算法比较复杂，实现起来不太容易，它对系统模型的准确性要求较高，对负载大小的变化及负载的性质变化比较敏感，当负载大小变化及负载的性质变化时不易获得理想的正弦波输出。(3)重复控制为了消除非线性负载对逆变器输出的影响，在UPS逆变器控制中引入了重复控制技术。Haneyoshi及Kawamura等人首先在PWM逆变器中采用重复控制消除周期性畸变。后来，邹应屿等人进一步完善了逆变器的重复控制理论，给出了一种重复控制器的设计方法，提出了自适应重复控制的理论。重复控制是一种基于内模原理的控制方法，它将一个基波周期的偏差存储起来，用于下一个基波周期的控制，经过几个基波周期的重复可达到很高的控制精度。在这种控制方法中，加到控制对象的输入信号除偏差信号外，还迭加了一个“过去的控制偏差”，这个“过去的控制偏差”是上一个基波周期中的控制偏差，把上一个基波周期的偏差反映到现在和“现在的偏差”一起加到控制对象进行控制，这种控制方式，偏差好像在被重复使用，所以称为重复控制。它的突出特点是稳态特性好，控制鲁棒性强。但重复控制的控制实时性差，动态响应速度慢。因此，重复控制一般都不单独使用来完成逆变器的控制，而是与其它控制方式相结合，共同来提高整个系统的性能。(4)滑模变结构控制滑模变结构控制理论起于20世纪50年代，它最显著的特点是对参数变动和外部扰动不敏感，因此非常适用于闭环反馈控制的电能变换器。早期的滑模变结构控制器采用模拟电路实现，广泛应用于电力拖动系统中。20世纪90年代中后期。台湾的邹应屿和香港大学的LKWang等人将离散滑模变结构控制理论应用到UPS逆变器中，获得了良好的控制效果。滑模变结构控制实质上是一种非连续的开关控制方法，它强迫系统的跟踪误差及其导数运行于相平面的一条固定的滑模曲线上，与系统参数变动及外部扰动无关，因此系统有极强的鲁棒性。但是，就波形跟踪质量来说，滑模控制不及重复控制和无差拍控制。(5)单一的电压瞬时值反馈控制这种控制方法的基本思想是把输出电压的瞬时反馈值与给定正弦波进行比较，用瞬时偏差作为控制量，对逆变桥输出PWM波进行动态调节。和传统PWM控制方法相比，由于该方法能对PWM波进行动态调整，故系统的快速性、抗扰性、对非线性负载的适应性、输出电压的波形品质等都比传统PWM控制方法有所提高。这种方法的缺点是系统的稳定性不好，特别是空载时，输出电压容易振荡。系统的稳定性问题限制了电压调节器增益的提高，因而输出电压的波形品质还不是很好。(6)带电流内环的电压瞬时值反馈控制带电流内环的电压瞬时值反馈控制方法是在单一的电压瞬时值反馈控制方法的基础上发展而来的。在这种方法中，不但引入输出电压的瞬时值反馈，还引入滤波电容电流或滤波电感电流的瞬时值反馈。电压环是外环，电流环是内环。电流环具有将滤波电容电流或滤波电感电流改造为可控的电流源的作用，这样控制输入和输出电压之间形成了具有单极点的传递函数，因而系统的稳定性大大提高，克服了单一的电压瞬时值反馈控制系统空载容易振荡的缺点。由于稳定性的提高使得电压调节器增益可以取比较大的值，所以突加突卸负载时输出电压的动态特性大大提高，抗扰性大大提高，对非线性负载的适应性也大大提高。1.5 车载逆变电源的主要研究内容车载逆变电源是通过脉宽调制芯片产生的脉宽调制信号用来驱动全逆变电路，产生低压交流信号，再经过工频变压器的升压，转换为所需要的220V交流电压。系统的流程框图如1-1所示。直流电压脉宽调制芯片全桥逆变电路交流电压工频变压器 图1-1 车载逆变电源流程框图车载逆变电源设计是采用了比较典型的逆变电路的变换方式将直流电压12V变换成220V的交流电压，即第一级采用直流/交流变换，通过对直流/交流全桥逆变电路各个桥臂MOS管通断的控制，把低压直流逆变为交流电压，再通过工频变压器把交流低压升压变成交流高压，然后通过滤波电路，滤出我们所需要的50Hz的频率交流电压，从而完成12V直流电压逆变成220V/50Hz的交流电压； 本次逆变电源的设计主要内容包括以下内容：1) 控制电路的设计；2) 驱动电路的设计；3) 全桥逆变电路的设计；4) 电压检测电路和电流检测电路的设计；5）检测电路的设计；6）流程图的设计第2章 系统原理分析2.1 逆变原理2.1.1 逆变电路的工作原理 所谓整流，就是将交流电变成直流电；逆变是它的反过程，也就是将直流电变成交流电。逆变又分为有源逆变和无源逆变。有源逆变是将逆变出来的交流电接电源；而无源逆变是将交流侧直接和负载连接。现在说的逆变电路一般指无源逆变电路。无源逆变电路是将直流电转换为频率、幅值固定或可变的交流电并直接供给负载的逆变电路。如图2-1所示：图2-1 逆变电路原理图开关T1、T4闭合，T2、T3断开：u0=Ud；开关T1、T4断开，T2、T3闭合：u0=Ud ;当以频率fS交替切换开关T1、T4和T2、T3时，则在电阻R上获得如图2-1所示的交变电压波形，其周期Ts=1/fS，这样，就将直流电压E变成了交流电压u0,其含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。2.1.2 单相全桥逆变电路如下图2-2所示，它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。全控型开关器件T1和T4构成一对桥臂，T2和T3构成一对桥臂, T1和T4同时通、断；T2和T3同时通、断。T1(T)4与T2(T3)的驱动信号互补，即T1和T4有驱动信号时，T2和T3无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通180°。两对桥臂交替导通180°。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180º正偏，180º反偏，且T1和T2互补，T3和T4互补关系不变。T3的基极信号只比T1落后q ( 0<q <180º)，T3、T4的栅极信号分别比T2、T1的前移（180º-q），u0成为正负各为q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效值。图2-2 单相全桥逆变电路输出电压瞬时值： (式2-1)输出电压有效值： (式2-2) 基波分量有效值： (式2-3) 同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。 2.2 H桥驱动电路图2-3中所示为一个典型的直流控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H；4个三极管组成H的4条垂直腿，而负载就是H中的横杠（注意：图2-3）及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个负载。要使电路运行，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而电路运行正常。  图2-3 H桥驱动电路图要使电路正常运行，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图2-4所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过负载，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将从负载的左端流向右端。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从右至左流过负载。 图2-4 H桥驱动电路图（左至右）形成的电压波形如图2-5所示：Ud=+U0,图2-5 （左至右）电压波形图图2-6所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流从电源正极经Q3从右至左穿过负载，然后再经Q2回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将从负载的右端流向左端。电压波形图如图2-7所示，Ud=-U0 图2-6 H桥驱动电路图（右至左）图2-7 （右至左）电压波形图根据图2-5和图2-7的电压波形图可知，H桥驱动电路便回到一个正弦电压如图2-8所示，所以H桥驱动电路是将主控电路中产生的SPWM信号，经整形和放大后，作为逆变电路的换流器件(逆变模块)提供驱动信号来控制逆变能顺利进行。图2-8 电压波形图2.3 脉宽调制技术及其原理2.3.1 生成SPWM波的基本原理电源应用的变革确立了脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）即PWM技术的重要地位，并且赋予了电子变流技术强大的生命力，产品几乎涵盖了所有的开关电源、斩波器及电流变换器等领域。始于1975年推广应用正弦脉宽调制（Sinusoidal PWM 简称SPWM）以来，经多年研究发展的历程，正弦逆变技术也渐趋成熟而服务于广泛的交流应用场合，涉及民用、商用、军用及科研四大板块，人们也真实的感受到系统性能的改善、能源转换效率的提高和电磁污染的减少或净化，也为应用的持续发展奠定了坚实的基础，并且越来越多的与其他科学领域相互关联、相互交叉和相互渗透，继而应用系统逐渐朝高性能、高效率、大功率、高频化和智能化的方向发展，同时随着工程发展的日益需求，对逆变系统提出了更高的要求。在交流应用场合，多数负载要求输入的是正弦波电流。电工学认为，周期性的非正弦交流量是直流、正弦波和余弦波等分量的集合，或者是非正弦波也可以分解为相位差和频率不同的正弦波以及直流分量。 不良波形或失真严重的正弦交流量必然产生大量的低次、高次及分数谐波，丰富的谐波分量与基波叠加的情景使得正负峰值几乎同时发生，换向突变时急剧的运动状态将对负载造成冲击并导致负载特性的不稳定或漂移，又加重了滤波器件的负担，损耗也随之增大，非但降低了电网的功率因数，还对周边设备造成不良影响。 可见，简单的方波在功率应用场合下显示出了不尽如人意的一面。当然，在不触及负载特性、能量转换效率、环境污染和系统综合技术指标以及小功率应用场合的前提下，就控制方法而言则显得容易些。 自然采样法是一种基于面积等效理念的能量转换形式，其原理极为简单而且直观，并具备十分确切的数理依据，通用性及可操作性也很强。当正弦基波与若干个等幅的三角载波在时间轴上相遇时，并令正弦波的零点与三角波的峰点处于同相位（图2-9上），所得的交点表达为时间意义上的相位角和对应的瞬时幅值，交点间的相位区间段表示以正弦部分为有效输出的矩形脉冲群（图2-9下）。图2-9 自然采样法由此，SPWM波的基本概念是每一周期的基波与若干个载波进行调制（载波的数量与基波之比即为载波比），并依次按正弦函数值定位的有效相位区间集合成等幅不等宽且总面积等效于正弦量平均值的正弦化脉冲序列。对应于正弦量的正负半周，实施双路调制或单路分相处理及放大后，控制驱动功率开关器件运行，最终得正弦化交流量的样本波形如（图2-10）所示，滤波后流经负载的电流即为正弦波电流。 图2-10 正弦化交流量的样本波形2.3.2 调制过程特征 由电工学可知，正弦波方程表示为公式2-4： （式2-4）式中 ：瞬时值；：正弦波的最大值；：角频率（等于2）；：随时间而变的电气角；：相位角（t=0时的相位角为初相角）。 由（图2-9）可知，正弦基波的零点和三角载波的峰点与时间起点相重合，故初相角为0，当最大值为1，最小值为-1或剔除所有无效变量后，正弦方程将简化为单纯的正弦曲线：表示为公式2-5sin（） （式2-5）其中: ：正弦曲线与某一直线交点的瞬时值； （）：正弦曲线与某一直线交点的相位角。 核对其处的最大瞬时值仍然为1（负半周为1），显然，正半周期内幅值区间的上下限分别为（1，0）；正半周相位区间内的上下限分别为（，0）。从而在纯坐标条件下，调制仅为坐标区间数量的关系而与时间或频率无关。形似等腰三角形的三角载波是由许多直线相交叉形成的，因为交叉点以外的线段处于无效区间，所以不具备调制的一般意义。由于载波比（N）是人为选定的（N将于2.2内描述），因而N的变化将影响直线的数量（n）、直线的倾角、直线与直线相交后交叉点的相位角和正弦曲线与某一直线交点的相位角（）。又由于三角波的直线线段相交后交叉点的最大幅值与正弦曲线等幅，故所有直线交叉点位于正弦曲线正半周区间内各自的相位角的上限和下限（，0）成对应的比例；正弦曲线正半周区间（，0）内的直线与直线相交后交叉点的相位角分布均匀。所以，正弦曲线正半周内的各直线相交后交叉点位于各自相位区间内幅值的上下限同样为（1，0）。同理，负半周的数值分析相同。于是，所有直线均可写成n个标准的斜截式直线方程：表示为公式2-6 yx （式2-6）根据直线角系数的关系式和每一直线段的相位区间得各直线已知的相位角和两个交叉点的幅值坐标，即可求得各直线各自的斜率（）和常数项（b），从而确定所有完整的直线方程如公式2-7： （） （式2-7）由于正弦曲线与n个直线相交后需要求解n个交点（）的目标坐标值（x，y），而且必须同时满足式（2-4）和式（2-6）或是正弦曲线与各直线的各个交点（）的坐标值必须重合，即：正弦曲线中的某一（）点的坐标值（x，y）必须等于对应的某一直线段中（）点的坐标值（x，y），或者表示为公式2-8 sin（）= （） （式2-8） 据此，正弦曲线（图2a）与任一直线的交点坐标（x，y）必将被锁定于横轴（0x）；纵轴（0y）的范围之内，续次利用牛顿迭代法即可求得所有交点（）的具有相当近似精度的相位角（x），然后将（x）代入式（1）就能解得各交点的瞬时幅值（y），由此完成全部的调制过程。就以上调制形式中求解的结果，交点（x）的值即相位角是时间的函数；交点（y）的值即对应时间的瞬时值或临界点，以此取得的按正弦函数值定位的不等宽序列脉冲的对偶边沿就是期望的控制信号角。由此取得对应的瞬时幅值（y）似乎毫无意义，但是，对于模拟控制方法则是一个极为重要的过渡参数。可以想象，SPWM波的数理依据或可信度是首屈一指的。2.4 正弦波脉宽调制技术的实现方法2.4.1软件生成法由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。 自然采样法是以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规则采样7规则采样法是对自然采样法的改进，其主要优点就是是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。其缺点是直流电压利用率较低，线性控制范围较小。除上述两种方法外，还有一种方法叫做等面积法。该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。2.4.2硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波8 （如图2-11）。而且随着电力电子技术的发展，现在已经产生了多种可以产生SPWM波的芯片，如TL494、SG3525A等，这些集成芯片的出现使得电路的设计大大简化，而且功能更加齐全。本次设计就采用硬件调制法，通过使用脉冲调制芯片来产生所需要的正弦脉冲调宽波。图2-11 单极性SPWM波波形示意图2.5 PID控制原理与程序流程 2.5.1控制系统的基本概念一、模拟控制系统，如图2-12所示图2-12 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。二、 微机过程控制系统，如图2-13所示图2-13 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。三、 数字控制系统DDC，如图2-14所示图2-14 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Control)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。2.5.2 模拟PID调节器一、模拟PID控制系统组成，如图2-15图2-15 模拟PID控制系统原理框图二、模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。 1、PID调节器的微分方程，其表达式为公式2-9 （式2-9） 式中 2、PID调节器的传输函数，其表达式为公式2-10 （式2-10）三、PID调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。2.5.3 数字PID控制器一、模拟PID控制规律的离散化，见表2-1表2-1 模拟、离散比较模拟形式离散化形式二、数字PID控制器的差分方程见公式2-11 （式2-11）式中 称为比例项 称为积分项 称为微分项三、常用的控制方式 1、P控制 2、PI控制 3、PD控制 4、PID控制 四、PID算法的两种类型 1、位置型控制例如图2-5-3(1)调节阀控制,其表达式为公式2-12 (式2-12) 2、增量型控制例如图2-4-3(2)步进电机控制,其表达式为公式2-13 （式2-13）图2-16 数字PID 位置型控制示意图图2-17 数字PID 增量型控制示意图2.5.4 位置型PID算法的程序流程一、位置型PID算法 1、位置型的递推形式，见公式2-14 （式2-14） 2、位置型PID算法的程序流程图2-18只需在增量型PID算法的程序流程基础上增加一次加运算u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。二、对控制量的限制，见公式2-15 1、控制算法总是受到一定运算字长的限制2、执行机构的实际位置不允许超过上(或下)极限 （式2-15）图2-18 位置型算法流程图本章小结：在本章节中具体分析了车载逆变电源系统设计所基于的理论与原理；依次介绍了逆变的原理、H桥驱动电路、脉宽调制技术及其原理、正弦波脉宽调制技术的实现方法、PID控制原理和程序流程的相关内容。 在逆变原理的解说中以单相全桥逆变电路为例，通过对图像的分析和公式的运用，逐步了解逆变的形式和原理，这就为接下来两章中车载逆变电源的设计打下基础；介绍H桥驱动电路是为了将其与全桥逆变电路联系在一起。在第三章里面的控制电路中涉及到控制芯片，所以在第二章里面说明了控制芯片产生SPM波，脉宽调制技术的实现问题。PID控制中详细介绍了模拟PID调节器和数字PID调节器.还介绍了PID的3个主要环节，比如：1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。在介绍完车载逆变电源主要运用的原理后，我们开始进入有关车载逆变电源设计的硬件部分。第3章 硬件电路设计 3.1车载逆变电源系统的设计思路及指标本系统的设计思路是：基于工频变压器的逆变电路设计的逆变电源是通过脉宽调制芯片产生的脉宽调制信号用来驱动全逆变电路，产生低压交流信号，再经过工频变压器的升压，转换为所需要的220V交流电压。电路框图如图3-1所示：直流电压脉宽调制芯片全桥逆变电路交流电压工频变压器图3-1 基于工频变压器的逆变电路框图此设计是采用了比较典型的逆变电路的变换方式将直流电压12V变换成220V的交流电压，即第一级采用直流/交流变换，通过对直流/交流全桥逆变电路各个桥臂MOS管通断的控制，把低压直流逆变为交流电压，再通过工频变压器把交流低压升压变成交流高压，然后通过滤波电路，滤出我们所需要的50Hz的频率交流电压，从而完成12V直流电压逆变成220V/50Hz的交流电压； 本次逆变电源的设计主要内容包括以下内容：1) 控制电路的设计；2) 直流/交流变换电路的设计；3) 输出电压检测、输出电流检测；4) 保护电路；本逆变电源输入端为蓄电池（12V，容量90A·h），输出端为交流电压（50Hz，220V）。其结构框图如图3-2所示。图3-2 逆变电源整体框图 如上图所示：主电路主要由控制电路、全桥逆变、驱动电路、工频升压、电流检测、电压检测、工频LC滤波电路等部分组成。本设计对逆变电源的要求有：1、环境温度：-25- +402、海拔高度：3000m3、输入 12VDC4、额定输出电压：Vo=220VAC5、输出有电压、电流保护6、额定输出功率：200W3.2 控制电路3.2.1 PIC16F73及其应用PIC16F73是Microchip生产的高性能8位RISCMCU,该款单片机的工作频率为20MHz。内有4K程序存储器、192bytes数据寄存器、11个中断器、3个定时器/计数器、两个CCP模块。PIC16F73的外部资源：该单片机有28个引脚，去掉电源、复位、振荡器等。共有22个可复用的IO口。其中第12、13脚是CCP输出口。可输出最大分辨率达10BIT的可调PWM信号，另外AN0-AN4共5路8位A/D模数转换输入口，可提供检测外部电路的电压和电流信号，还有一个外部中断输入脚，可处理突发事件。如下图所示3-3:图3-3 集成芯片PIC16F73管脚图（一）PIC16F73的性能参数：PIC16F73是嵌入式微控制器，其核心处理器：PIC ；除程序跳转指令需要两个周期外所有指令都是单周期指令，以时钟输入为 DC-20MHZ的频率作为工作速度，具有8