三項正弦電源設計

高佳歡 孟紫騰 洪?；? 牛建輝 朱學森 靜大鵬 楊興旺

摘要：當前電力電子技術發展迅速，如何進一步提高電網供電性能，變頻技術成為其中的關鍵。本文將設計三相正弦電源，用以驅動電機，并給出了詳細的設計方案。

關鍵詞：逆變電路，三相正弦電源，SPWM波

當前電力電子技術發展迅速，如何進一步提高電網供電性能，變頻技術成為其中的關鍵。通過變頻技術，可以把直流電變成交流電。利用三極管等功率半導體器件及其他電子器件，將三相交流電變成用于驅動電機的恒壓恒頻的電源，且具有輸出頻率穩定、電壓穩定，結構簡單，可靠性高等優點。

因此該項技術廣泛應用于各個領域，如新能源汽車、飛機、艦船等。綜上所述，研究這種電源具有極其重要的意義。

本文將設計三相正弦電源，用以驅動電機，并給出了詳細的設計方案，提供相關測試結果。

1 系統方案設計

三相弦波電源由直流輸入模塊、逆變電路模塊、lc濾波電路模塊、主控單元模塊、信號隔離驅動電路模塊、人機交互模塊、隔離反饋電路電路及LCD顯示模塊等功能電路構成。

首先，由STM32產生SPWM波，即正弦波脈寬調制信號，信號經過光耦隔離電路，用以三相逆變驅動電路的控制。經過LC濾波器，將直流電變為所需的三相電壓信號。其中，輸出正弦波的幅度和頻率可調。電壓、電流測量電路分別測量各相電壓和電流的三相純正弦波，數據經過 STM32處理后，于液晶顯示器上顯示結果。通過人機交互模塊，如按鍵等，對輸出進行控制。

控制系統由STM32單片機及按鍵電路、顯示電路、信號調理電路、復位電路、保護電路等外圍電路組成。

2 功能模塊設計

2.1 逆變電路

逆變電路能夠將直流電變為交流電，主要由電解電容、功率開關等電子器件構成。通過單片機輸出的SPWM波控制開關元件的導通與關斷，使之有規律變化，實現直流電變為交流電。

電流型三相橋式逆變電路，只適用于單個電機傳動，以及加、減速運行頻繁或者經常反向場合，不予考慮。故采用電壓型三相橋式逆變電路，其特點為：其直流側電壓基本無脈動，輸出電壓波形是矩形波，輸出的電流因負載不同而變化。同時，逆變電路各臂并聯反饋二極管，更好控制輸出信號。電壓型三相橋式逆變電路適用于同時向多個電機供電，故采用此方案。

2.2驅動電路

由于利用CMOS器件驅動，開關速度低，而采用光耦合器驅動，因其自身的速度不高，限制使用頻率。

故利用MOSFET柵極驅動控制專用集成電路芯片IR2130實現對生成的SPWM波的驅動放大。該系列驅動芯片由3組半橋驅動電路構成，三組電路相互獨立，可同時為其上下橋臂提供死區時間，擁有柵極驅動器，高速高壓功率驅動器。該芯片滿足主電路對功率開關器件的要求。

2.3顯示模塊

可采用3塊12864液晶，分別顯示頻率，電壓大小及電流大小等相關參數。該液晶是一種是圖形點陣液晶顯示器，主要由行驅動器/列驅動器及128×64點陣液晶顯示器組成，成本相對較低，適用于各類儀器，小型設備顯示領域。

2.4 LC濾波器

在輸出端增加 LC濾波電路，用于改善由于高頻帶來的整個系統的電磁兼容性變差的情況，避免對后級系統造成一些不良影響。

2.5濾波電路

電源EMI噪聲濾波器能夠無衰減地將交流電傳輸到電源，同時使隨之傳入的EMI噪聲衰減?？梢砸种齐娫吹仍O備產生的噪聲，阻止其對其他電子設備的干擾。

3系統軟件設計

3.1主程序設計

除了硬件電路設計外，軟件設計在完整系統設計中也很重要。主程序主要包括輸出調壓程序、輸出調頻程序等。

3.2 SPWM 控制技術

本次設計采用 STM32F407單片機，將其最小系統作為主要控制模塊，生成SPWM波，控制三相逆變器的工作。

3.3 正弦波脈寬的生成

根據SPWM的產生原理，在半周期內把 進行 N等分，可以得到每個小段的面積，取任意小段，記為i，使得矩形波幅值同輸入的正弦波的幅值 相等，同時使任意小段的矩形波面積同與之對應的正弦波面積相等，可得到矩形波脈沖寬度值：

脈沖寬度按照正弦波規律變化，由此把脈沖寬度的一系列值生成一個表，通過查閱此表，單片機輸出脈沖序列。通常，只需要保存半個周期正弦波的值，交替輸出，即可生成完整的SPWM 波，這種方法大大節約了單片機存儲空間，同時可以控制逆變器。

4 測試結果及討論

4.1測試方案

硬件測試利用示波器、數字直流電源、電參數分析儀、數字萬用表對電路連通性及其他性能進行測試。

軟件仿真通過Proteus軟件進行測試，對電路參數進行仿真及設置。

4.2測試結果

1）當接通電源后，能夠提供三相對稱的正弦波交流電，波形穩定平滑，相位差約為120°。

2）當負載線電流I0的有效值為2 A時，測量多次取平均值，得到線電壓頻率f0為50 Hz±0.3 Hz，U0的有效值為24 V±0.2V。

3）當負載線電流的有效值I0為2 A，利用電參數分析儀，可以直接測得交流母線電壓的THD為1.2%。

5 結論

本文設計了程控三相正弦電源，并完成相關測試，符合要求的結果。

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作者簡介：高佳歡（1998-），女，籍貫：河北保定人，北華航天工業學院，20級在讀研究生，碩士學位，專業：電子信息。研究方向：嵌入式系統研究，FPGA技術研究.