SPWM调压系统设计

武汉理工大学开放性实验报告（C类）项目名称：SPWM调压系统设计实验室名称：创新实验室组别：606-09学生姓名：目录1系统总体方案设计...................................................................................................32模块电路设计...........................................................................................................22.1buck电路设计..................................................................................................22.2全桥逆变电路设计.........................................................................................42.3控制及辅助电源电路.....................................................................................53系统软件设计...........................................................................................................6附录................................................................................................................................8SPWM调压系统设计摘要：本SPWM调压系统是基于软件生成SPWM波，通过驱动电路驱动全桥逆变器，输出交流电。单片机选用STM32，72M的主频能够胜任整个系统的工作。由于是软件操作，相比于模拟电路来说，更具有可控性，但是不能够连续变频。调压采用前级buck电路。通过16位DAC8532转换器能够精准控制buck的输出电压，作为H桥的输入电源，从而使输出电压连续可控。关键字：SWPMSTM32buck全桥1系统总体方案设计根据题目要求，本系统主要由三大部分组成，即STM32单片机控制模块，buck前级调压模块，全桥逆变模块。控制目标是输出交流电压的峰峰值和频率。图1-1系统模块图STM32单片机输出两路带死区的SWPM信号驱动全桥逆变电路，经过输出滤波电路，产生正弦波形。定时器3分频，工作在24MH，PWM的占空比按正弦规律变化，载波频率设为20k。则一个周期内有400个采样点。定时器的计时周期为1200。软件生成一个正弦表即可。buck调压模块全桥逆变模块STM32控制模块22模块电路设计2.1buck电路设计BUCK电路是本系统最重要的部分。输入固定20V，输出电压可调。电压电流的检测，DA控制都在BUCK电路里完成。电路图如下页所示。选定开关频率40fkHz。则由1ttfRC知，当tC取102时，25tRk。故取24tRk。误差放大器同相端做输出电压反馈端。为了达到数控的目的，反相端不再像BOOST电路那样接一个固定电压，此处用接口引出，连接外部DA。输出电压分压接到1号引脚做反馈外，也要用接口引出，做电压检测。AD采集此处电压即可。+IN11-IN12FB3+IN216-IN215D-TCON4OUTCON13GND7RT6CT5E210C211E19C18REFOUT14VCC12TL494GNDGND102C3124kR2047kR150.1uFC291MR165.1kR14VREF100uFC325.1kR13GNDGND42VCC1215VCCVREF0.1uFC21224Vcc15VCCGND10uFC5LO1COM2VCC3NC4VS5VB6HO7NC8VDD9HIN10SD11LIN12VSS13NC14U1IR21101N4147_1GND10uFC80.1uFC9GND15VCC12DATA50kPOT12kR17GNDVoVolt12GNDPWM_PPWM_N图2-1BUCK控制部分10R11N4147_242VCC1N5822GND1.2mHL110kR2470uFC6470uFC7GND12Vout39R4103C151N414820mR21ISVOPWM_PPWM_N图2-2BUCK拓扑结构部分为了使输出纹波系数小，BUCK电路一般工作于连续模式。相比于BOOST电路，BUCK的输出滤波电感要大很多。BUCK电路电感的设计应使输出电流最小时，也能工作在连续模式。这个电流最小值通常取额定电流的0.1倍，即0.1。从3理论分析可知，BUCK电路的电感值越大越好。实际应用中要考虑到性价比和体积等等制约因素。BUCK电路的工作频率不可取的太高，一般不超过50kHz，本设计中取40fkHz。电感计算公式如下：()2iooioUUULUIf其中，42iUV，5~36oUV，1.2oIA。当21oUV时，输出滤波电感有最大值，带入计算可以得到：max1.09LmHBUCK电路输出滤波电容作用和BOOST电路相同。预设定BUCK电路的输出纹波是50mV，即50crUmV。62(6510)ONCRICU代入参数可以得到：312CuF。根据以上计算，对本系统的BUCK变换器的参数选取如下：1.2LmH，1000CuFESR是产生输出纹波电压的主要因素，为了减小输出滤波电容的ESR，将输出滤波电容用几个小的并联。可以达到更好的效果。VDD1VREF2VoutB3VoutA4SYNC5SCLK6Din7GND8U2DAC8532GND_F1GND_S2ENABLE3IN4OUT_S5OUT_F6U3REF3220GNDVCC10uFC912DAoutVoutBVoutAVCCGND0.1uFC1010uFC11123DA_ENDinSCLKSYNC图2-3DA转换电路DA转换电路是buck模块的重要部分。它决定了输出电压的准确度与精度。单片机通过控制DA的输出电压来控制最终的正弦波峰峰值。为了达到更好的效果，DAC选用了16位高精度的DAC8532。采用基准源芯片作为DA的基准，输出电压稳定。42.2全桥逆变电路设计全桥逆变电路是整个系统的核心。完成了功率变换，信号滤波及调频等功能。全桥主电路由4片IRF3205组成，为了可靠工作，有吸收电路保护开关管。驱动电路使用了IR2110，上下管的控制相互独立，驱动能力强。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)。当采用正弦波作为调制信号来控制输出PWM脉冲的宽度，使其按照正弦波的规律变化，这种脉冲宽度调制控制策略就称为正弦脉冲宽度调制，产生SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；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。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。15VCC3V3GNDPWM1PWM210uFC5LO1COM2VCC3NC4VS5VB6HO7NC8VDD9HIN10SD11LIN12VSS13NC14IR2110_11N4147_110R110R21N4147_21N4147_3IRF3205_1IRF3205_2VINGNDGND15VCC3V3GNDPWM1PWM210uFC7LO1COM2VCC3NC4VS5VB6HO7NC8VDD9HIN10SD11LIN12VSS13NC14IR2110_21N4147_610R310R41N4147_41N4147_5IRF3205_3IRF3205_4VINGNDGNDFR207D2D3D4VO1VO21kR91kR101kR111kR12GNDGND104100VC13104100VC14104100VC15104100VC16200_2WR13200_2WR14200_2WR15200_2WR16GNDGND图2-4全桥主电路功率电路有极强的干扰。为了保证单片机的可靠工作，SPWM信号与功率电路必须有隔离。本系统采用了高速光耦6N137。对于20kHz的信号能够完全不失真的隔离。NC1Anode2Cathode3NC4GND5VE7VO6VCC86N137_2200R710kR83V33V3GND12PW2PWM2图2-5光耦隔离电路5输出滤波电路主要是为了滤除高频开关信号，输出波形称为平滑的正弦波。输出滤波器是一个LC低通滤波器，为了使滤波效果更好，采用了两级滤波。LC谐振频率点设在1kHz，对于开关频率处的谐波至少有10倍以上的衰减。低频信号基本能够输出。320uHL13.83mHL2224C8335C9335C10VO1VO212OUT112OUT2图2-6输出滤波电路2.3控制及辅助电源电路控制核心采用STM32F103C8T6单片机。电路图如下页所示。单片机最小系统中带有LM1117-3.3V稳压电源。外部只需要提供5V电源即可工作。NOKIA5110液晶接口和无线接收器VS1838B的接口都在最小系统中留出，方便接外设。（电路图中未画出这些接口）辅助电源部分需要15V给TL494和IR2110供电，5V电源给单片机系统供电。GND2OUT3IN17815GND2OUT3IN17805GND1218VCC10uFC110uFC210uFC30.1uFC40.1uFC50.1uFC6GND125VCCGND1215VCCT1D12200uFC7GND220V~图3-8辅助电源电路为了使单片机系统及开关电源控制部分稳定工作，辅助电源采用线性电源，线性电源的效率虽然不高，但由于这部分电流很小，线性电源对整个系统的效率影响不大。6VBAT1PA0/WKUP10PA111PA212PA313PA414PA515PA616PA717PA829PA930PA1031PA1132PA1233PA13/JTMS/SWDIO34PA14/JTCK/SWCLK37PA15/JTDI38PB018PB119PB2/BOOT120PB3/JTDO39PB4/JNTRST40PB541PB642PB743PB845PB946PB1021PB1122PB1225PB1326PB1427PB1528PC13/TAMPER/RTC2STM32PC14/OSC32_IN3PC15/OSC32_OUT4PD0/OSC_IN5PD1/OSC_OUT6NRST7VSS_123VSS_235VSS_347VSS_A8VDD_124VDD_236VDD_348VDDA9BOOT044U1STM32F103C8T61234VCC12343V310uFTC10.1uFC210uFTC30.1uFC40.1uFC50.1uFC60.1uFC722pC822pC9GND0OUT1IN2LM1117GNDGNDGNDGNDGNDVBATPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PA8PA9PA10PA11PA12PA13PA14PA15D11kR110kR71MR810kR9GND3V312XT18M12XT232.768kGND3V310uHL13V3GND231K1231K2PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PB8PB9PB10PB11PB12PB13PB14PB153V3GNDNRSTGNDPC133V3GNDPC15PC1410pC1010pC11GNDPC15PC140.1uFC1310kR