基于ARM的逆变电源软件设计与实现

基于 ARM 的逆变电源软件设计与实现电气工程与自动化专业（一）班 伍光 指导教师 范方灵摘要 本文设计的单相脉宽调制逆变电源属于交流电源（DC-AC 逆变） ，采用电压反馈控制，通过中断功率通量和调节占空比的方法来改变驱动电压脉冲宽度来调整和稳定输出电压。其主电路构成采用的是 BOOST 电路和全桥电路的组合。本设计以微处理器 LM3S1138 为控制核心的逆变电源系统，由 4*4 键盘控制微处理器 LM3S1138 产生不同占空比的 PWM 波和不同频率的 SPWM 波。用集成芯片比分立元器件控制电路具有更简单，更可靠的特点和易于调试的优点。本文详细的分析了该逆变电源的工作过程，并推导了重要公式。最后对该逆变电源进行了计算机仿真和实物制作，验证了其可行性和有效性。关键词 逆变，SPWM，场效应管，LM3S11381 绪论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。逆变电源技术是一门综合性的专业技术，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。1.1 课题研究背景介绍课题来源：人们在停电和野外作业等电力匮乏时常需要正弦波逆变不间断电源。需求分析：可应用于太阳能蓄电池单相输出正弦波逆变电源、监控以及事故照明、为通信、载波、继电保护等提供不间断电力。 国内外研究现状：逆变电源可以把直流电转换为单相正弦交流电。供用电设备使用。目前，市场提供的大部分产品均为方波逆变器。虽然这种逆变器电路简单，但效率低。为此，提出了一种基于 LM3S1138 的单相正弦波逆变电源。1.2 课题研究意义早些时候人们一直用旋转型变流机组产生交流电，其原动机可以是油机，也可以是电动机，输出交流电压是发电机发出的。但旋转型变流机组存在噪声大、输出电压的动态特性差、机械损耗和电能损耗较大、效率较低、设备庞大笨重、操作不够灵活等诸多弊病，于是人们一直寻求新型产生交流电的装置。逆变电源也是一种产生交流电的装置，它具有以下优点：其一，变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；其二，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；其三，逆变电源能将直流电转换为交流电；其四，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。于是逆变电源将逐渐取代旋转型变流机组。目前，逆变电源技术的核心部分是逆变器和其控制部分，虽然自关断器件的产生简化了主电路，但它的开关频率和功率仍受一定的限制，于是逆变电源输出波形正弦度仍不是很理想。虽然在控制方法上已经趋于成熟，但有些控制方法实现起来仍很困难。因此，对逆变电源技术进行深入的研究有很大的现实意义。1.3 本课题设计内容及要求1.3.1 本课题设计主要内容(一) 在逆变电源技术的研究方面，本文将深入分析逆变工作原理及 SPWM 控制原理并建立逆变电源动态模型。（二） 逆变电源控制方法研究。对逆变电源采用各种控制方法时的性能及优缺点进行对比分析，从而确定本文逆变电源的控制方案。（三） 逆变电源主电路研究。其中包括斩波升压、逆变器部分、驱动部分、变压器部分和滤波器部分。（四） 利用单片机对逆变电源 SPWM 部分、死区部分、电压有效值外环及电压瞬时值内环部分实现全数字化，并进行数字化控制。1.3.2 本课题设计要求功能特点：正弦波输出;可以设置输出所需电压和频率;全数字控制;数码显示。技术指标：输出频率范围为 ;308Hz输出电压范围为 AC ;25V输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真。2 逆变电源设计2.1 可行性分析设计思路：该电源由 12V 蓄电池直流输入，然后通过斩波升压，桥式逆变电路逆变成SPWM 波形，经低通滤波器得到正弦波输出。系统为全数字控制，控制和 SPWM 皆用Luminary ARM 芯片产生，可以设置输出所需电压和频率的正弦波。并有相应的保护功能。应用的技术分析：该课题涉及到电力电子技术、计算机技术等。2.2 方案比较及确定1、使用 U3988 芯片作为控制芯片U3988 是数字化、功能完善的正弦波单相逆变电源/UPS 主控器件，不仅能输出高精度的 SPWM 正弦波脉冲序列，还能实现稳压、保护、市电/逆变自动切换、充电控制等功能。U3988 的工作电压为+5V，工作频率为 20 ，载波频率为 20 。采用 10 位 SPWM 型MHzkHzD/A 转换输出， 精密时基；具有实时反馈输入输出，输出稳压及短路检测、50/6Hz电池充电检测等功能；采用双极性调制方式，具备的逆变桥控制使能输出端通过蜂鸣器控制输出。 2、使用 SG3525 芯片SG3525 的工作电压范围为 835 V，基准电压 5.1 V，精度 1%；振荡频率范围为100500 。它具有振荡器同步信号输入、死区时间可调、内置软启动电路、逐个脉冲kHz关断、带滞回电压的输人欠压锁定及 PWM 锁定、禁止多脉冲、双通道源电流/吸收电流给出驱动电路等特点。3、使用 ARM 芯片功能更加强大，控制更加灵活。能直接输出 SPWM，SPWM 控制原理是：在逆变器输出交流电能的一个周期内，将直流电能转成幅值相等而宽度按正弦规律变化的脉冲序列，该脉冲序列的宽度随正弦波幅值变化的离散脉冲，经过滤波得到正弦波交流电。能实现参数显示和上位机通讯。因此我们选择使用 ARM 芯片的方案。设计重点难点：逆变驱动和电流采样的硬件设计，控制软件设计。2.3 系统组成系统主电路和控制电路框图（图 2.1） 。电源由 12V 蓄电池提供（该蓄电池能输出10Ah 的电能） ，此电压经过 Boost 电路进行升压，通过控制驱动 IGBT 的 PWM 波形的占空比，就可以调节输出电压的大小。DC-AC 变换电路采用全桥变换电路。为保证系统可靠运行，防止主电路对控制电路的干扰，采用主、控电路完全隔离的方法，即驱动信号用光耦隔离，反馈信号用变压器隔离，辅助电源用稳压集成快组成。IGBT 的过热保护采用 89热继电器作为温度检测器件，其具有足够的响应速度，能够在 IGBT 管允许的过热时间内将电源关断。图 2.1 系统主电路和控制电路框图2.4 主电路原理图主电路的拓扑如图 2.2 所示。此主电路由以下几个环节组成，Boost 升压电路，桥式逆变电路，工频升压和滤波电路。图 2.2 主电路拓扑2.5 控制电路原理图1、IGBT 驱动电路设计结合本次设计要求，设计了一款用分立元件实现的驱动电路，电路图如图 2.3 所示。图 2.3 分立元件 IGBT 驱动2、桥式 MOSFET 驱动电路设计本桥式组电路是由 4 只 N 沟道 MOSFET 组成，而非传统的两只 N 沟道管子和两只 P 沟道管子，这样的由相同的管子组成的桥式电路对称性更好，管压降小，减小了能量损失，其驱动电路如图 2.4 所示。图 2.4 桥式逆变器驱动电路2.6 编程实现SPWM 波是在 C P U (LM3S1138)的支持下， 由二个定时器 Timer1、Timer2 和 4 个外部中断及接口获得的。定时器 Timer1 完成采样周期 T s 的定时， 定时器 Timer2 完成脉冲间隔及脉冲宽度的定时( 实际上是对oft与n定时) 。当 Timer1 定时时间到， C P U 响应该中断请求， 向相应接口送出低电平( 偶次采样) 或高电平( 奇次采样) ， 并计算出oft( 偶次采样) 或ont( 奇次采样) 作为定时时间常数送人 T 2 并启动 Timer2 ， 同时启动 Timer1 继续定时 aT。当 Timer2 定时时间到， C P U 响应该中断请求， 向相应接口送出高电平( 偶次 采样) 或低电平( 奇次采样) ， 单片机等待下一个采样 周期即Timer1 定时时间到， 重复上述过程形成 S P WM 波。 PWM 波是在 C P U (LM3S1138)的支持下，由专门的 PWM 端口产生。主程序(如图 2.5)的一个循环产生 N 个 S P WM 脉冲， 即一个正弦波周期循环一次， 并采样一 次频率给定值 f ， 然后按这时的 f 生成 S P WM 控制脉冲序列。图 2.5 主流程图查表并计算oft和n时间，其部分程序：void CalSPWM(void)Uint32 *sp; /*定义一个 32 位的指针*/Uint16 i,PRD; /*读取因子表PRD=PRD553;sp=(Uint32 *)0x3ff000; /*旋转因子表的起始地址 Uint32 *sp;*/ 初 始 化读 f并 显 示中 断 按 键 控 制f调 节 的 占空 比 调 节 计 算 Tsf和 电 压 显 示切 换Ts装 入 imer1并 启 动 Timer1查 表 并 计 算 ton、 tofton、 tof装 入 Timer2并 启 动 Timer2返 回for(i=0;iSPWM_NUM;i+) SPWM55i=(*sp15); /*由 Q30 变成 Q15 格式-OK*/sp+; /*计算 SPWM 脉宽 */for(i=0;iSPWM_NUM;i+) SPWM55i=(Uint32)SPWM55i*PRD)15); /*变为 Q0 格式*/ PRD+;for(i=0;iSPWM_NUM;i+) SPWM55i=PRD-SPWM55i; /*补偿死区时间*/for(i=0;iSPWM_NUM;i+) if(SPWM55i100)SPWM55i=SPWM55i-79;通过电压检测传感器检测电压大小。并将电压值反馈到微处理器 LM3S1138，形成闭环，能挺高系统的精度和稳定性。AD 初始化程序：void timer0Init(void)SysCtlPeriEnable(SYSCTL_PERIPH_TIMER0); /*使能定时器模块 */TimerConfigure(T0_B_CFG_16_PER); /* 配置 TimerB 为 16 位周期定时器 */TimerPrescaleSet(T0_B , 99); /* 预先进行 100 分频*/TimerLoadSet(T0_B , 30000UL); /* 设置定时器初值 */TimerIntEnable(T0_B_INT_TIMEOUT); /* 使能 TimerB 超时中断 */IntEnable(INT_TIMER0B); /* 使能 TimerB 中断*/IntMasterEnable(); /* 使能处理器中断*/TimerEnable(T0_B); /*使能 TimerB */定时器 Timer1 用来采样周期定时，计算出导通时间和关断时间，并将定时时间传给Timer2，其程序框图如图 2.6。Timer1 初始化程序：void timer1Init(void)SysCtlPeriEnable(SYSCTL_PERIPH_TIMER0); /*使能定时器模块 */TimerConfigure(T0_B_CFG_16_PER); /* 配置 16 位定时器 */TimerPrescaleSet(T0_B , 99); /* 预先进行 100 分频*/TimerLoadSet(T0_B , 30000UL); /*设置定时器初值*/TimerIntEnable(T0_B_INT_TIMEOUT); /*使能 TimerB 超时中断*/IntEnable(INT_TIMER0B); /* 使能 TimerB 中断*/IntMasterEnable(); /* 使能处理器中断 */TimerEnable(T0_B); /* 使能 TimerB */图 2.6 Timer1 中断流程图通过 4*4 键盘控制微处理器(LM3S1138)产生不同占空比的 PWM 波，和不同频率的 SPWM波，并能进行显示模式的切换，其程序框图图 2.7。Timer1定 时 器 中 断 程 序采 样 次 数 R0+1指 针 R1+ s装 入 Timer1并 启 动 Timer1查 表 取 值 并 计 算 ton、 tf返 回4*键 盘LM3S18产 生 不 同 占 空 比 的PWM 产 生 不 同 频 率 的SPWM显 示 电 压 或 频 率图 2.7 键盘流程图2.7 实测各种波形图 2.8 是两路带死区时间相位相差 180的 PWM 波形，其用来控制 Q1，Q2 两只 MOSFET通断。图2.8 带死区的PWM波形图 2.9 是两路带死区时间相位相差 180的 SPWM 波形，其用来控制 Q3，Q4 两只MOSFET 通断。图2.9 带死区的SPWM波形图2.10是占空比可调节的PWM波形，用来控制BOOST电路部分IGBT的开通和关断状态。图2.10 占空比可调的PWM波形图 2.11 是未经过滤波的输出波形，其正负半周都是显 SPWM 波形状。图2.11 未经滤波的输出波形图 2.12 是经过 LC 电路滤波后的输出波形，其形状以接近正弦波。图2.12 经过LC滤波的输出波形2.8 数据记录改变 Boost 电路输入 PWM 的占空比所测得的各种电压如表 2-1 所示。表 2-1蓄电池电压（V）升压输出电（V） 逆变输出电压（V）PWM占空比（%）LED显示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:以上数据均用VC101型4位半数字万用表测得改变SPWM波形的频率后输出的交流电压的频率也随之改变，记录的结果如表2-2所示。表 2-2SPWM频率（Hz） 输出电压频率（Hz） LED显示30 31.2 3050 52.1 5080 84.3 80120 125.7 120250 260.4 250注：以上数据均用RIGOL DS1102C型数字示波器测得2.9 实物图（如图2.13）图2.13 系统实物图3 结论通过对各个功能模块的检测及系统的整体测试，本系统基本上满足了设计初预定的设计要求：实现了交流正弦波输出，用示波器观察有失真；实现了数字键盘控制及 LED 数码显示；实现了输出电压可调，调节范围在 AC 12.3V-50V；实现了输出频率可调，调节范围主电路电压反馈电路驱动电路4*4 键盘单片机最小系统蓄电池LED 显示在 30Hz-250Hz。在论文中对此逆变电源的主电路拓扑、工作原理和控制方法给出了详细的分析，对一些设计参数的计算公式从理论上给出了推导过程。并获取了大量测试数据，在此基础上进行了软件校正。本设计关于逆变电源方面所做的研究工作只是一个阶段性的工作，还有很多研究内容需要继续深入研究。展望后续工作，可望在以下几个方面取得进一步的进展：（1）本文中环全数字化逆变电源只实现了单环控制，电容电流瞬时值内环还没有实现，这部分工作有待于进一步完成。（2）本文中只实现了过流、过热保护，还直流母线欠压、过载等保护还没有实现，具体实现还有待于进一步完成。（3）在数字化逆变电源中引入一个变压器偏磁控制环或对偏磁进行补偿控制，特别是在大功率数字化控制系统逆变电源中显得十分必要，这部分工作有待于进一步完成。随着电子技术的发展的不断发展和完善，逆变电源一定会向更为智能化的方向发展，不断的进步和完善，应用更为广泛的。参 考 文 献1 王兆安，黄俊 电力电子技术M北京：机械工业出版社，20032 莫正康，电力电子应用技术M.北京:机械工业出版社， 2005Siemens SIMOVERT3 丁斗章，变频调速技术与应用M.北京.机械工业出版社，20054 彭军.传感器与检测技术M.陕西：西安电子科技大学出版社，2003.115 王英剑，常敏慧 新型开关电源实用技术M北京：电子工业出版社，19996 张卫军现代电源变换技术及应用M北京：科学出版社，20017 谢文刚三相正弦波脉宽调制（SPWM ）信号发生器电源技术应用，2002年第9期8 康光华，陈大软， 张林 电子技术基础M 北京：高等教育出版社，20069 张维玺信号与系统M 北京：科学工业出版社.，200410 黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用M.北京：高等教育出版社，2006.311 丁元杰. 单片微机原理及应用M北京：机械工业出版社，2007.112 周立功ARM嵌入式系统基础教程M.北京：北京航空航天大学出版社，200513 周立功ARM微控制器基础与实践M.北京：北京航空航天大学出版社，200514 吴明辉，基于ARM的嵌入式系统开发与应用北京：人民邮电出版社，200415 朱代祥单相正弦脉宽调制逆变电源的设计维普，200416 Pressman ALSwitching and Linear Power Converter Design199717 RaShid M HPower ElectronicsPrentice-Hall，Inc，1988 18 ARM公司 ARM Architecture Reference ManualARM公司， 200019 ARM Limteel，ARM Development Guide2000-2001The 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