单相正弦变频稳压电源.doc

摘要 本系统以STM32单片机为控制核心，主电路采用两级拓扑结构，实现了输出电压12V--24V可调，频率10Hz—200HZ可调，满载功率48W的变频电源。前级DC/DC推挽升压变换器，通过SG3525闭环控制；后级采用DC/AC电压型全桥逆变电路，通过软件PI运算，对输出的交流电压进行调整。单片机运用查表法产生SPWM调制信号，控制后级变换器双极工作模式。输出电压、电流进行采用同步采样，能避免由于交流滤波电路产生的滞后。该系统可以通过按键调节输出电压，输出频率；具有电压电流显示、过流保护及故障声光报警等功能；系统过流具有“自恢复”特性，过流点可通过按键设置。 关键字：STM32 SPWM 逆变 推挽 方案论证与理论分析 1）主电路拓扑选择 方案一：单级逆变器。通过单级变换将输入25--30V直流电直接转换成24V的交流电。因它具有电路简单、元器件数目少、高效率及可靠性的优点，在满足系统性能下将会是首选。但由于工频变压器体积笨重，绕制麻烦，逐渐被无工频变压器所代替。 方案二：多级逆变器。常用的为两级拓扑结构，如图（1）所示，其第一级一般为升压电路，主要实现对直流输入的电压升压，满足输出电压要求；第二级为全桥高频BUCK型逆变器，完成把直流逆变成负载所需的交流电。这种拓扑结构简单，前后级之间相对独立控制，无需同步，前后两级均工作在高频状态，大大减小了高频变压器的体积和输出谐波电流，在小功率逆变系统中有较多的应用。 图（1）两级逆变拓扑结构 综合以上分析，因为本题目所要求的功率不大，单级逆变器结构不够灵活，无法扩展，无法满足直流输入的多变性，因此我们选择方案二，采用两级拓扑结构。 2)升压拓扑选择 方案一： BOOST拓扑。电路结构如图(2)所示；BOOST结构电路比所有拓扑简单，且不需要绕制变压器，可以减少电路板的体积，提高转换效率，适用于升压比不是很高的电路场合。考虑到DC与AC之前没有电隔离，所以不宜在需要隔离的场合使用。 图（2）BOOST 图（3） 推挽升压 方案二：推挽升压拓扑。系统结构如图（3）所示；推挽变换器电路结构和驱动电路相对于全桥简单，其输出电压为2NDVIN。推挽变换器特别适合于低输入场合，而且一个周期内只有一个开关上有压降，损耗小；但对于推挽变换器对变压器绕制的对称性较高，会引起磁芯的偏磁。 根据以上分析：因为本系统输入输出需要隔离，输出电压较高，本系统采用SG3525做为DC/DC升压的控制芯片，外围电路简单，效率较高。满足题目要求。 3）输出电压控制方法选择 方案一：输出电压平均值反馈控制。这种控制方法简单，对输出电压的幅值可以连续调节，输出电压精度较高。但缺点也十分明显，主要表现为： 系统动态响应较慢。由于输出滤波器由电感电容组成，对于电压环来说是一个二阶系统，影响了系统调节速度，当输入电压或负载突变时，系统常常要经历几个周期才能稳定。 负载适应性差。当电源面对一些非线性负载时会产生强大的冲击电流。 方案二：输出电压同步采样。将输出电压的瞬时峰值进行采样反馈，与给定的电压进行比较，所得的误差用于PI调节，去控制SPWM调节输出，每个一个周期采一次样，使正弦波在每个采样点都得到控制。此方法又可以改善输出波形质量，提高系统的动态响应时间。 综上所述，本系统采用方案二。 4）微控制器的选择 方案一：MSP430是16位超低功耗，具有精简指令集的混合信号处理器，主频为8 Mhz，内部定时器比较少，引脚布线比较简单，但实时性不好，复杂的控制算法难以实现。 方案二： STM32是 ARM最新的Cortex-M3内核。具有32位闪存，优先级抢占的中断控制器，支持中断自动嵌套，外设的引脚可以重影射，主频可以达到72 Mhz，死区时间可编程控制。此单片机高可靠性，配置丰富灵活、低功耗，功能强，软件编程可实现复杂的控制算法和逻辑控制，实时性好。 基于以上分析，选择方案二。 5）PI调节器的选择 方案一：模拟PI 控制器是通过硬件（电子元件，气动，液压元件）来实现其功能。因为不同的系统PI的参数不同，所以在调节电路确定PI系数时比较麻烦，需要不断的更改硬件来得到最适合系统所需的参数，此方案比较费时，也比较复杂，难以实现。 方案二：数字PI控制器，其数学模型是从模拟PI控制器导出的，将它移植到计算机的控制系统中，将原来的硬件实现的功能用软件来实现，其与模拟PI控制器相比优点是：具有强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，可以更好的控制性能。 由以上分析，故选择方案二。 二．系统总体方案 系统包括推挽升压、DC-AC控制变换电路、控制、反馈、测量、显示6个部分。全桥逆变电路是核心部分，STM32通过读表法