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基于PIC单片机单相SPWM.doc

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.28M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘要
    Abstract
    1. 引言
    2. 系统设计
    2.1设计要求及思路
    2.1.1主控单元16F877A
    2.1.2 功能特性描述
    2.2 PWM 技术基础
    2.2.1 SPWM控制算法
    2.2.2 SPWM调制方法
    2.3逆变电路的基本工作原理
    3.硬件设计
    3.1单片机电路设计
    3.2主电路设计
    3.3驱动电路设计
    3.4自举电路设计
    3.5辅助电源电路设计
    3.6死区电路设计
    3.7硬软件保护电路设计
    3.8检测电路设计
    3.9显示电路设计
    3.10电源电路设计
    4软件设计
    4.1 主程序设计
    4.2 PIC单片机设置
    4.3 SPWM 信号的产生过程
    4.5程序清单（见附录）
    5 软硬件调试
    5.1 SPWM信号调试
    5.2 检测信号调试
    6测试结果
    7．结束语
    致谢
    参考文献：
    附录
    附录1 元器件清单
    附录2电路原理图
    附录3电路PCB
    附录4程序清单
    漳州师范学院 毕业论文（设计） 基于 PIC 单片机单相 SPWM 逆变电源的设计 The Design of Inverter Basing on PIC Microcontroller Single-phase SPWM 摘要 本系统以单片机PIC16F877A为控制核心的单相全桥式电压型SPWM逆变电源。 系统主要由交流220V变压隔离成可调交流电，再整流变换成直流电，SPWM信号通 过光耦隔离器控制由开关管MOEFET组成的逆变器件的工作状态，实现对输出的控 制，即AC-DC-AC变换。从而得到频率和幅度都可调的正弦交流电，后端再对电压、 电流以及频率的采样，从而实现闭环的控制。该逆变电源输出的正弦交流电精度 高，性能稳定，实用价值高，在电力电子技术中应用广泛。 关键词：SPWM；逆变器；驱动电路；场效应管 IRF840 Abstract This system is a single-phase full-bridge voltage-type inverter which is based on PIC16F877A microcontroller. It is mainly transformed from 220V AC to adjustable AC, then rectifies to DC. Signal SPWM controls the working status of the inverter device which consists of switch MOEFET through the photon coupled isolator. And
    this procedure achieves the control of the output. That is the AC-DC-AC conversion. Consequently, the sinusoidal alternating current whose frequency and amplitude are both adjustable comes into being. Later, the samples of voltage, current, and frequency are taken in order to control the closed-loop. The sinusoidal alternating current from this inverter is in possession of high accuracy, stable performance, and high practical utility. Thus, it is widely applied to power electronic technology. Key words: SPWM; inverter Driving; circuit；the field effect manage IRF840 目录 摘要................................................................................................................................I ABSTRACT........................................................................................................................I 1. 引言....................................................................................... 错误！未定义书签。 2. 系统设计................................................................................................................. 1 2.1 设计要求及思路.................................................................................................1 2.2 PWM 技术基础.................................................................................................... 3 2.3 逆变电路的基本工作原理.................................................................................7 3.硬件设计................................................................................................................... 8 3.1 单片机电路设计.................................................................................................8 3.2 主电路设计.........................................................................................................9 3.3 驱动电路设计...................................................................................................10 3.4 自举电路设计...................................................................................................10 3.5 辅助电源电路设计...........................................................................................11 3.6 死区电路设计...................................................................................................11 3.7 硬软件保护电路设计.......................................................................................12 3.8 检测电路设计...................................................................................................13
    3.9 显示电路设计...................................................................................................14 3.10 电源电路设计.................................................................................................14 4 软件设计.............................................................................................................. 15 4.1 主程序设计...................................................................................................... 15 4.2 PIC 单片机设置...............................................................................................15 4.3 SPWM 信号的产生过程.................................................................................... 16 4.5 程序清单（见附录）.......................................................................................17 5 软硬件调试............................................................................................................. 17 5.1 SPWM 信号调试.................................................................................................17 5.2 检测信号调试.................................................................................................. 18 6 测试结果.................................................................................................................. 18 7．结束语................................................................................................................... 19 致谢............................................................................................................................. 20 参考文献：................................................................................................................. 21 附录............................................................................................................................. 22 附录 1 元器件清单................................................................................................. 22 附录 2 电路原理图..................................................................................................23 附录 3 电路 PCB.......................................................................错误！未定义书签。 附录 4 程序清单......................................................................................................25
    1. 引言 电能变换的类型有四种：（1）DC-DC 变换器，它是将一种直流电能变换为另 一种直流电能的变换器；（2）DC-AC 变换器，它是将直流电能变换为交流电能的 变换器，这种变流装置称为逆变器；（3）AC-DC 变换器，它是将交流电能变换为 直流电能的变换器；（4）AC-AC 变换器，它是将一种交流电能变换为另一种电能 的变换器。 在逆变器示出现以前，DC-AC 变换是通过直流电动机-交流发电机组来实现 的，这种组合称为旋转交流机。随着电力电子技术的高速发展，大功率开关器件 和集成控制电路的研发成功，利用半导体技术就可以完成 DC-AC 变换，这种变换 装置称为静止变流器，通常据说的逆变器均指静止逆变器，静止逆变器与旋转交 流机相比，其电气特性优良、高效节能、可靠性高、重量轻和体积小。近来，燃 料电池的发展方兴未艾，超大功率 DC-AC 变换器必将取代旋转交流机。 现代逆变技术是一门实用技术，随着电力电子技术的高速发展，大量高功率开关器件 相继出现，可以满足各行各业对逆变技术的需求，逆变技术的应用领域越来越广泛。 2. 系统设计 2.1 设计要求及思路 （1） 主电路设计：交流电 220V 经隔离变压生成电压可调的交流电，再整流成 直流电，由 H 桥逆变接到负载测量； （2） 控制电路设计：输出四路用于控制 H 桥逆变电路 SPWM 信号，上下管要有 一定的死区效果(10us
    到正弦信号频率为 75Hz、调制度为 0.98 的 SPWM 波，系统初始化结束。SPWM 信 号通过死区电路、硬软件保护电路后控制光耦隔离器输出的驱动信号，进而控制 逆变电路 H 桥的工作。可以根据通过人为的按键调节频率和幅值变换，也可闭环 的控制使电路工作于高效率状态。 本系统整机电路采用单片机 PIC16F877A 做主控单元,其他部分包括整流滤 波模块、逆变电路和过流检测模块、死区电路模块、硬软件保护电路模块、驱动 电路模块、自举电源模块、辅助电源模块、液晶显示模块等。整机框架如图 l 所示： 图 1 系统结构框图 2.1.1 主控单元 16F877A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 16 17 18 23 24 25 26 13 XT1 14 U1 RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/Vref- RA3/AN3/Vref+ RA4/T0CKI/C1OUT RA5/AN4/C2OUT RE0/RD/AN5 RE1/WR/AN6 RE2/CS/AN7 RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RC4/SDI/SDA RC5/SDO RC6/TX/CK RC7/RX/TD OSC1/CLKI OSC2/CLKO 15pF C12 12M C615pF RB0/INT RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 MCLR/VPP VDD VDD VSS VSS RB7/PGD RB6/PGC RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 A 7 7 8 F 6 1 C I P 图 2 主控制电路 33 34 35 36 37 38 1 32 11 12 31 40 39 19 20 21 22 27 28 29 30 5V C23 C11 104 104
    2.1.2 功能特性描述 PIC16F877A 是一种低功耗、高性能的 RISCCPU8 位微控制器，其主要特点有： 1) 采用 RISC 精简指令集、哈佛总线结构及流水线执行方式，抗干扰能力强； 2) 除程序分支指令为两个周期外，其余均为单周期指令，且仅有 35 条单字 指令； 3) 8K×14 个 FLASH 程序存储器，368×8 个数据存储器（RAM）字节； 4) 中断能力强，达到 14 个中断源； 5) 配置 2 类形式的串行通信模块，即 MSSP 模块和 USART 某块，USART 包含 SPI 和 IC 模式； 6) 具有 8 个模拟通道接口，包含 10 位的 AD 转换器和一个 DA 转换某块； 7) 外围功能模块丰富，含 2 个 16 位寄存器的 CCP 模块，具有 PWM 功能； 8) 含 3 个定时器，其中与 PWM 功能相关的定时器 2（即 TMR2）带有 8 位周 期寄存器，且带有 8 位预分频器和后分频器； 2.2 PWM 技术基础 PWM 技术也称脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效 的获得所需要的波形（含形状和幅值)； 1) PWM 控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现 PWM 控制变 得十分容易。 2) PWM 技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它 在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。 3) PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力 电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了 PWM 技术。 2.2.1 SPWM 控制算法 自然法生成 SPWM 波又称模拟电路法生成 SPWM 波，通常用模拟比较器比较生 成 SPWM 波，如果用信号波正弦作为比较器的同相端输入信号，三角载波作为比 较器的反相端输入信号，便实现了自然法生成 SPWM 波[9]，比较器输出经死区形 成电路即可生成带死区的 SPWM 波。这种方法是所有生成 SPWM 波的方法中最精确 的一种，其它方法都是与它近似等效，存在一定的等效误差。不过模拟电路存在 一定的温漂。
    规则采样法是从自然采样法演变而来的，它由经过采样的正弦波(实际上是 阶梯波)与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。这种方法只在三角波的顶点或底 点位置对正弦波采样而形成阶梯波，其原理如图 3 图 3 规则采样法生成 SPWM 波原理图 设三角波幅值为 1，由相似三角形对应边成比例，可得: 所以矩形波开通时间: 1   t  Msin t 2 2 2 cT 2 t 2  1 2  1  M sin  cTt M-调制度(正弦波与三角波幅值比) cT -采样三角波周期 其实上式又可表达为： t 2  1 2    1  M sin    2 n N     cT  
    其 中 1m 为 调 制 率 、 N （ N 为 奇 数 ） 为 SPWM 点 数 ， 这 里 取 95N 2 ， n  ,2,1,0  (, N  )1 ，控制周期为 cT ，逆变输出电压的周期 T  cNT ，角频率  2  cNT 。由上式知改变调制比 M ，可以改变输出电压的幅度。假设要产生频 率为 f 的正弦波，则 SPWM 逆变控制信号的周期为： Tc 1 Nf 2.2.2 SPWM 调制方法 以图 4 为例进行分析 1) 单极性 PWM 控制方式（单相桥逆变） 图 4 单相桥式 PWM 逆变电路 在 ur 和 uc 的交点时刻控制 IGBT（或 MOEFET）的通断，波形如图 5，其中 uof 表示 uo 的基波分量。  ur正半周，V1 保持通，V2 保持断。 当 ur>uc时使 V4 通，V3 断，uo=Ud ; 当 uruc时使 V4 断，V3 通，uo=0; 当 ur
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