电压型SPWM逆变器的设计 - 图文

武汉理工大学华夏学院

信息工程课程设计报告书

课 程 名 称 课程设计总评成绩 学生姓名、学 号 学 生 专 业 班级 指 导 教 师 姓名 课程设计起止日期

课程设计基本要求

课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。

1. 课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。

2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。

3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。

4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。

5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。

6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出2～3个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。

7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。

8. 课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。

一、课程设计项目名称 电压型SPWM逆变器的设计 二、项目设计目的及技术要求 1.1 设计目的及意义 （1）训练学生正确地应用运动控制系统，培养解决工业控制、工业检测等领域具体问题的能力； （2）通过课程设计，熟悉运动控制系统应用系统开发、研制的过程，软、硬件设计的工作方法、工作内容、工作步骤； （3）对学生进行基本技能训练，例如组成系统、编程、调试、绘图等，使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。 1.2 内容要求 （1）画出控制电路和主电路原理图； （2）画出程序流程图； （3）写课程设计论文，附有原理图、流程图、程序清单，内容要正确，概念要清楚，文字要通顺。 1.3三相SPWM逆变器 1.3.1 PWM控制技术 PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。调制：将一个波形（调制参考波）信号的有关信息加到另一个波形上（载波）。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。 1.3.2 PWM控制的基本原理 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。例如图1-1a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1-1a为矩形脉冲，图1-1b为三角形脉冲，图1-1c为正弦波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图1-1d的单位脉冲函数ξ(t)时,环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数[7]。 图1-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图1-2a的电路是一个具体的例子。图中e(t)为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图1-1a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出。图1-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。从波形可以看出，在i(t)的上升段，脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。 图1-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。 1.3.3 SPWM控制技术 下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波。 把图1-3a的正弦波分成N等分，就可以把正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于?N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就得到图1-3b所示的序列脉冲。 图1-3 用PWM波代替正弦半波 详细的分析结论是：对开关器件的通、断状态进行实时、适式的控制，使多脉波的矩形脉冲电压宽度按正弦规律变化时，通过傅里叶分析可以得知，输出电压中除基波外仅含有与开关频率倍数相对应的某些高次谐波而消除了许多低次谐波，开关频率（输出电压频率）越高，脉波数越多，就能消除更多的低次谐波，使逆变电路的输出电压更近似于连续的正弦波[8]。 如果按同一比例的正弦规律改变图1-3b中所有矩形脉波的宽度，则可以成比例地调控输出电压中的基波电压数值。这种控制逆变器输出电压大小及波形的方法被称为正弦脉宽调制SPWM。各种PWM控制策略，特别是正弦脉宽调制SPWM控制已在逆变技术中得到广泛应用。 1.3.4 SPWM逆变电路及其控制方法 PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎采用了PWM技术。如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，

PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。这种方法称之为计算法。 与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等要三角波作为载波，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。在调制信号为正弦波时，所得到的就是SPWM波形，这种情况应用最广，本文主要介绍这种控制方法。 所为调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号ut，把接收调制的信号作为载波uc，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。本次课程设计任务要求设计三相电压源型SPWM逆变电路，输出PWM电压波形等效为正弦波，因而信号波采用正弦波，载波采用最常用的等腰三角形。 单相桥式电路既可以采取单极性调制，也可以采用双极性调制，而三相桥式PWM逆变电路，一般采用双极性控制方式。所为单极性控制方式，就是在信号波ut的半个周期内三角波载波uc只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式，和单极性PWM控制方式相对应的是双极性控制方式。 采用双极性方式时，在ut的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得到的PWM波也是有正有负。在ut的一个周期内，输出的PWM波只有?Ud两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号ut和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。在ut的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。 1.4 IGBT简介 绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个 P 型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。 IGBT的结构剖面图如图1-4所示。它在结构上类似于MOSFET ，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET 的N+基板（漏极）上增加了一个P+ 基板（IGBT 的集电极），形成PN结j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。 图1-4 IGBT结构剖面图 由图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR ，其简化等效电路如图3所示。IGBT是以GTR 为主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构。 IGBT的特性和参数特点可以总结为： 1）IGBT开关速度高，开关损耗小； 2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力； 3）IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域； 4) 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可以保持开关频率高。 三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图 ) 2.1可行性方案 方案一：选用SG3524集成 PWM控制器为控制核心， 用ICL8038函数发生器产生正弦调制波，在与 SG3524 中的载波比较后输出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲，由于 SG3524产生的 SPWM 信号不能直接驱动 IGBT，故逆变桥的驱动采用专用芯片 IR2110 控制 IGBT 功率开关管的导通和截止，使逆变器输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波，即可得到所需要的正弦波。 本系统由正弦波函数发生器、 3524集成PWM控制电路、 IR2110集成PWM 驱动电路、 SPWM逆变器主电路等组成，设计系统的总体结构框图如图 2.1所示。 正弦函数发生器 3524集 成PWM 控制电 路 IR2110 集成 PWM驱 动电路 SPWM逆 变器主 电路 图2.1系统总体结构框图 方案二：选用EsayARM1138开发板，以LM3S1138为控制核心，辅以扩展的键盘及显示电路和SPWM逆变电路组成完整的系统。根据采样控制理论，由LM3S1138输出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲，控制IGBT功率开关管的导通和截止，使逆变器输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波。输出的信号经低通滤波器滤波后，即可得到所需要的正弦波。改变调制脉冲的宽度可以控制输出电压的幅值，改变调制周期可以控制输出电压的频率，从而达到使逆变器的输出电压和幅值同时可调的目的。 本系统由电源模块、控制模块、逆变模块、键盘和显示模块、输出及保护电路等5大部分组成，设计系统的总体结构框图如图2.2所示。 全桥逆变 低通滤波 驱 动 LM3S1138 最小系统 输出 键盘 直流供电 LCD显示 图2.2系统总体结构框图 电源模块：根据实验室现有的条件，本系统的电源由两台稳压电源提供3路直流电压。控制模块：由EasyARM1138开发板构成，运行系统程序并通过扩展GPIO口控制自主设计的各子模块工作。逆变模块：由2片驱动芯片IR2110、4只IGBT管FGA25N120AN和LC低通滤波器及外围辅助电路构成，完成DC/AC的逆变、电压变换并得到需要的正弦波电压输出。键盘和显示模块：由3个按键开关和1个可显示4行、16列字符的LCD显示器12864构成。输出和保护电路模块：由1个2A保险丝、4个并在IGBT管集射极两端的反向偏置二极管和LM393及辅助电路组成的比较电路构成。完成系统的过流、过压及IGBT管的瞬间过流保护工作。 选择方案一为最佳方案。 2.2 SPWM 逆变器主电路设计 如图 2.3 是 SPWM 逆变器的主电路，图中 Vl—V6 是逆变器的六个功率开关器件，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压 U供电。一组三相对称的正弦参考电压信号 由参考信号发生器提供，三角载波信号 Uc 是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生 SPWM 脉冲序列波作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。 图2.3 主电路图 当UruUc 时，给 V1导通信号，给V4关断信号，Uun’ =-Ud/2。Uuv的波形可由 Uun’- Uvn’得出，当 1 和 6 通时，Uuv=Ud，当 3 和 4 通时，Uuv=-Ud，当 1 和 3 或 4和 6 通时，Uuv=0。输出线电压 PWM 波由±Ud 和 0 三种电平构成负载相电压 PWM 波由(±2/3)Ud,(±1/3) Ud和0 共5种电平组成。 防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路， 留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的 PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。 2.3 脉宽调制器设计 本次设计中采用 ICL8038 产生正弦波给 SG3524 集成PWM 控制器产生控制信号。SG3524 可以产生锯齿波，作为载波与正弦波比较，生成 SPWM信号。SG3524管脚图如图2.4所示。 图2.4 SG3524 管脚图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/op3h.html