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华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书实验五十一DC/ACSPWM单相全桥逆变电路设计及研究（信号与系统—自动控制理论—检测技术－电力电子学综合实验）一、实验原理SPWM单相全桥逆变电路的主要工作原理是依靠四个开关管的通、断状态配合，利用冲量等效原理，采用正弦脉宽调制（SPWM）策略将输入的直流电压变换成正弦波电压输出。SPWM的调制原理是通过对每个周期内输出的脉冲个数和每个脉冲宽度来调节逆变器输出电压的频率和幅值。要使输出的电压波形接近标准的正弦波，就要尽量保证SPWM电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效。除要求每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲宽度还必须很窄，这就需要在一个正弦波形内脉冲的数量很多。脉波数量越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉冲电压就越等效于正弦电压。目前，在电力电子控制技术中，SPWM技术应用极为广泛，SPWM波形的形成一般有自然采样法、规则采样法等等。前者主要用于模拟控制中，后者适用数字控制。本实验采用的是DSP控制的单相全桥逆变电路，采用对称规则采样法。对称规则采样的基本思想是使SPWM波的每个脉冲均以三角载波中心线为轴线对称，因此在每个载波周期内只需一个采样点就可确定两个开关切换点时刻。具体算法是过三角波的对称轴与正弦波的交点，做平行于时间轴的平行线，该平行线与三角波的两个腰的交点作为SPWM波“开通”和“关断”的时刻。由于在每个三角载波周期中只需要进行一次采样，因此使得计算公式得到简化，并且可以根据脉宽计算公式实时计算出SPWM波的脉宽时间，可以实现数字化控制。图51-1对称规则采样法生成SPWM波根据相似三角形定理，可以分析出图1对称规则采样法生成的SPWM波脉宽时间Tn集学科优势--求改革创新200华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书为：()21sinnnTTMNNπ−=(51-1)式中，M为调制度，T为正弦调制波周期，N为载波比。本实验中程序采用DSP控制方式，载波频率固定为10KHZ，调制波频率为50HZ频率。具有死区功能、窄脉冲删除功能。DSP晶振10MHZ，内部4分频，时钟频率为40MHZ，计数周期为25ns。死区时间为2.4μs，同时为了提高开关管效率，设定昀小删除脉宽为3μs。单相SPWM波由DSP的PWM1～4引脚输出。其中PWM1、3引脚设置为高有效，PWM2、4引脚设置为低有效。实验主电路图如图51-2所示。图51-2SPWM单相全桥逆变电路在图51-2所示的SPWM单相全桥逆变电路中，直流母线电压经过由电阻、二极管和电容组成的缓冲电路后，再经过一个滤波电容进入逆变器中。缓冲电路主要用以防止开关器件在开通和关断过程中产生的瞬时过压、过流，消除大的电压、电流变化率，减小开关损耗，确保器件处于安全工作区。由DSP控制电路发出的SPWM控制信号经驱动电路放大以后驱动逆变器中的四个开关管T1～T4，使其交替导通，从而产生交流脉动电压。由于此交流电压含有大量的谐波成分，因此逆变器的输出电压必须经过由L、C组成的滤波电路进行滤波，才能昀终得到标准的正弦波电压。滤波电容的选择原则是在保证输出电压的THD满足要求的情况下，取值应尽量小。而选择滤波电感时应使其能够很好地抑制低次谐波的含量，同时集学科优势--求改革创新201华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书考虑体积和重量。本次实验，电感L可以在0.1mH附近选取，而电容C可以在40uF附近选取。二、实验目的1.熟悉单相全桥逆变电路原理及电路组成。2.掌握SPWM波产生的机理和方法。3.加深理解DSP数字控制技术，学会编写DSP控制程序。4.分析SPWM单相全桥逆变电路在不同负载时的工作情况和波形，并进一步探讨SPWM波形调制策略对电路输出波形的影响。三、实验内容1.掌握SPWM单相全桥逆变电路及其控制系统的组成原理及具体连接方法。2.掌握输出滤波器设计方法。3.学会使用专业软件编写DSP控制程序，并实现在线调试。4.使用数字示波器观察并画出SPWM单相全桥逆变电路在不同负载下的输出波形。5.改变SPWM调制策略，观察逆变电路输出电压波形的变化情况，并分析影响原因。四、实验设备1.电力电子实验装置：实验挂箱（A3－三相IGBT桥电路，A7－传感器检测电路）；相关实验控制电路板(实验板B05+B05A)；功率供电电源、控制电源；实验箱面包板，等2.DSP实验开发板和仿真器3.速度转矩检测器1台4.计算机以及相应的分析软件;数字式万用表五、实验步骤(供参考)1.按照SPWM单相全桥逆变电路图（如图51-2所示）将计算机、仿真器、DSP实验开发板、控制电路板和主电路连接起来。2.利用专业软件打开编写好的SPWM程序，并运行调适。接通DSP实验板电源，观察实验板上输出的4路驱动信号是否正常。（一定要观察驱动同一桥臂上、下两开关管的信号是否存在死区时间，防止直通）3.调节调压器至输出直流电压为0V处。检查并确保逆变电路接线无误，同时观察确认控制电路板的驱动信号已送至各开关管上以后，允许将主电路电源接通。4.调节调压器使输入直流电压逐渐升高至100V。电压升高时，利用示波器观察输出空载情况下逆变电路输出的电压波形。5.改变所接输出负载的类型，分别观察在电阻和电感负载下输出电压波形的变化情况。（注意：每次改变负载类型时，必须先将输入电压调低至0V，改变所接的负载，然后重新运行程序，并逐渐升高电压进行后续实验）集学科优势--求改革创新202华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书集学科优势--求改革创新203六、实验报告1.画出SPWM单相全桥逆变电路，并标明输出滤波器电感、电容的参数。2．记录每个开关管的驱动信号波形。3.画出输入直流电压与输出空载交流电压有效值之间的关系曲线。4．画出在输入电压为100V时，逆变电路空载情况下的输出电压波形。5.分别画出在带电阻和电感负载情况下的逆变电路输出电压波形，标明负载电阻和电感的大小。6.分析总结实验中出现的与理论有差异的现象，并加以讨论。七、实验思考题改变采样的方式，使用其它采样算法编写相应的控制程序，得到逆变电路输出电压波形。探讨不同的SPWM波形调制策略对电路输出波形的影响。附录实验板B05(控制板)的电路原理图实验板B05A(DSP目标板－利用DSP产生控制信号)的电路原理图华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书集学科优势-204-求改革创新实验板B05(控制板)的电路原理图输出电流检测iaR2520KR241KK212345678U10LM311R1A20KC1A104EN5S14R27S312S26Q29R415Q12S414R311Q41Q310R13VCC16U194043关机/复位按键直通保护输出过流保护Ia231411AU1ATL08412345678U2LM311RP1A100K121314DU1DTL084RP2A100k+12+12-12+12C9A1uR2320KC2010412345678U18LM311RP5100k+12+12-12C21104C22104+12C231uC2510u+12+12C24104C26103+1212345678U20LM311+12+12-12C27104C28104R2610KK1+12+12-12iaR2A10KR3A30KR4A56KR5A30KR6A30KR7A10KR8A20KR9A20KC5A10uC2A104C3A104C4A47PC6A104C7A104C8A104R10A20K输出电流检测ibR1B20KC1B104输出过流保护Ib12345678U3LM311RP1B100K1098CU1CTL084RP2B100k+12+12-12+12C9B1uibR2B10KR3B30KR4B56KR5B30KR6B30KR7B10KR8B20KR9B20KC5B10uC4B47PC6B104C7B104C8B104R10B20K输出电流检测icR1C20KC1C104输出过流保护Ic231411AU4ATL08412345678U5LM311RP1C100K121314DU4DTL084RP2C100k+12+12-12+12C9C1u+12-12icR2C10kR3C30KR4C56KR5C30KR6C30KR7C10KR8C20KR9C20KC5C10uC2C104C3C104C4C47PC6C104C7C104C8C104R10C20K输出电压检测uabR1D20KC1D104输出过压保护Uab12345678U6LM311RP1D100K1098CU4CTL084RP2D100k+12+12-12+12C9D1uuabR2D10kR3D30KR4D56KR5D30KR6D30KR7D10KR8D20KR9D20KC5D10uC4D47PC6D104C7D104C8D104R10D20K直流母线电压检测VdcR16A20KC12A104231411AU16ATL084RP3A100K121314DU16DTL084+12-12R14A100KR15A56KR18A30KR17A10KR19A20KR20A20KC15A10uC13A104C14A104输出电压检测ubcR1E20KC1E104输出过压保护Ubc231411AU7ATL08412345678U8LM311RP1E100K121314DU7DTL084RP2E100k+12+12-12+12C9E1u+12-12ubcR2E10KR3E30KR4E56KR5E30KR6E30KR7E10KR8E20KR9E20KC5E10uC2E104C3E104C4E47PC6E104C7E104C8E104R10E20K输出电压检测uacR1F20KC1F104输出过压保护Uac12345678U9LM311RP1F100K1098CU7CTL084RP2F100k+12+12-12+12C9F1uuacR2F10KR3F30KR4F56KR5F30KR6F30KR7F10KR8F20KR9F20KC5F10uC4F47PC6F104C7F104C8F104R10F20KImR367K5R3550K3V3R12A51KR13A3K+12-12C11A104C10A104R2910KR3020KR3120KR11A10K3V312345678U11LM311R12B51KR13B3K+12-12C11B104C10B104R11B10K3V312345678U12LM311R12C51KR13C3K+12-12C11C104C10C104R11C10K3V312345678U13LM311R12D51KR13D3K+12-12C11D104C10D104R11D10K3V312345678U14LM311R12E51KR13E3K+12-12C11E104C10E104R11E10K3V312345678U15LM311R12F51KR13F3K+12-12C11F104C10F104R11F10K3V312345678U17LM311R2151KR223K+12-12C18104C17104C33104129148U21A402311121013U21C4023RP4100k+12C16104+12C29104速度检测模拟电压输入R16B20KC12B104RP3B100K1098CU16CTL084R14B100KR15B56KR18B30KR17B10KR19B20KR20B20KC15B10uVdciIaIbIcVabVbcVacVdcVsPWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6R2715KR285K7R334K7C30103Q185503V3R344K7D21N60PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6T1PWMT2PWMCAP1CAP2IaIbIcVabVbcVacVdcVsADI0