真硬核!從零開始一文教你快速實現數位化SPWM純正弦波逆變器

2020-12-03 數碼之家

前言:本文約兩千字,需要讀者具備基礎的高數、模電、單片機知識,不會的話可以網課學習,希望就本文為有志於逆變技術的入門者提供一點微小的幫助。

一、理論基礎

所謂SPWM,就是通過只有開關兩個狀態(離散,數字的)的PWM序列產生正弦波(連續,模擬的)的方法。其理論基礎一句話就能說明白:衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上時,其效果基本相同。用人話類比就是五張一塊和一張五塊一樣有價值。

從調製的角度可以理解為低頻的50hz正弦信號作為調製波,高頻的方波作為載波,調製方法是佔空比調製,在經過全橋放大信號之後,通過低通濾波器就能還原出大功率的50hz正弦信號。

二、調製方法

常見的調製方法包括單極性PWM、雙極性PWM、單極性倍頻PWM。單雙極性是以半個開關周期內負載上電壓變化情況來分的。

單極性PWM調製在上半個正弦周期內一橋臂A兩隻功率管以較高的開關頻率互補開關,另一橋臂B只開下管,這時負載上的電壓在正電源電壓和0V之間切換;在下半個周期則A橋臂只開下管,B橋臂高頻互補開關,這時負載上的電壓在負電源電壓和0V之間切換,就產生了兩個方向上的電壓。半個周期內只有一側橋臂受控。優點是開關損耗小,缺點是生成的正弦波在過零點會產生失真、控制複雜、而且MOS發熱不均勻。

其負載上的波形圖如下。

而雙極性pwm則是在整個正弦周期內,四隻管子都在高頻開關狀態工作,對角線上的管子一起導通,另一對角線上管子互補導通,實際上只需要一路互補的PWM控制,負載上電壓在正電壓和負電壓之間切換,不出現0v。半個周期內兩側橋臂都受控。優點是控制簡單、波形失真度小,缺點是管子開關損耗大,發熱比較高。

其負載上的波形圖如下:

倍頻調製則是上兩種控制方法的結合,半個周期內兩側橋臂都受控,但負載在半個周期內只在一種電壓與0V之間切換,要么正要麼負。其核心思想是兩邊橋臂分別由兩個180度相位差的正弦波與三角載波比較來控制,優點是在開關器件工作頻率一樣的情況下,輸出PWM頻率是單極性SPWM的2倍,能夠明顯減少諧波,因此只需要相對較小的電感和電容濾波器件就可以起到很好的濾波效果,提升了系統的性能,也精簡了系統體積,降低了成本。缺點就是控制麻煩。

三、佔空比序列生成

這一部分的作用是控制管子什麼時候開,什麼時候關。

控制的方法有兩大流派:模擬和數字。模擬的方法很簡單,生成正弦波和三角波,直接輸入比較器,產生高低電平控制管子開關。這個沒啥好說的,搭電路的事。數字則也分兩大流派,模擬模擬方法(兩個模擬不同意思)的有自然採樣法、規則採樣法、不對稱規則採樣法。自然採樣法是通過計算高頻三角載波與正弦調製波的交點來確定開關切換點,以求出相應的脈衝寬度,而生成 SPWM波形的。本質上還是模擬那一套,不過由於脈寬計算公式是一個超越方程,採樣點不能預先確定,只能通過數值迭代求解,所以用的很少。

規則採樣法是對其的簡化,只在三角波的頂點或底點位置對正弦波採樣而形成階梯波,計算簡單,但是波形沒那麼像正弦波(諧波含量高)。

不對稱規則採樣法是規則採樣法的優化,在每個載波周期採樣兩次, 即在三角波的頂點位置採樣, 又在三角波的底點位置採樣, 這樣形成的階梯波與正弦波的逼近程度會大大提高(諧波含量低了一點),但是計算量是規則採樣法兩倍。

數字實現的另一種流派則是等面積法,這是純數學的,和模擬已經沒關係了,還記得衝量相等而形狀不同的窄脈衝嗎?衝量在電路中就是伏秒積,在圖中表現為面積,這個方法將正弦波等分,用等面積的PWM波代替,可以計算出來佔空比。這種方法生成的正弦波精度是最高的。

圖為我寫的PY程序,計算得到的結果,調製深度為1,半個周期分16段。PWM幅度等於正弦波最大值,圖中灰色部分是高電平時間。積分求面積,PWM波和正弦波的面積是相等的。

四、代碼

最簡單實現的SPWM我覺得是雙極性調製。全程只需要控制一個PWM的佔空比。代碼包括兩部分,生成SPWM佔空比序列的py程序和基於hal庫和STM32cubeMX的單片機程序。因為我用的是F030F4,這玩意兩塊多一片,只有16kRAM和4k運存,所以實時計算是沒戲了,只能預先計算好佔空比序列,用查表法實現。

生成SPWM佔空比序列的py程序有兩個,分別是單極性和雙極性。先從單極性開始吧。

核心思想是分段,求正弦波的積分,除PWM周期長度,結果就是PWM佔空比。結果是對稱的,負半周就換個橋臂。很簡單的數學,不詳細分析了。

雙極性也差不多,不過需要做出更改。正弦波的積分除2倍的PWM周期長度,結果再加50%才是PWM佔空比。佔空比50%時等效0v輸出,100%時等效+vcc,0%等效-vcc。

調製深度大致等於直流母線電壓利用率,受到mos自舉驅動器和mos的限制,高側mos不可能持續導通,也就是說佔空比不可能高到100%,90%算保守值,因此調製深度最好不大於90%。最後輸出的正弦波的有效值=直流母線電壓*調製深度/根號2,輸入24vDC,調製深度0.90時可以輸出有效值15.28vAC。改變調製深度就能改變正弦波電壓。點一下運行,py會以雙精度計算佔空比,對於單片機11位的定時器精度絕對是大大超過了。

至於STM32,使用兩個定時器,TIM1使用CH3互補輸出48K的PWM,作為載波,TIM17作為中斷時基,中斷頻率12.8khz(基波50Hz X 調製比256)。

生成好長度為256的佔空比序列,存成數組。

重寫TIM17中斷回調函數,每次中斷更新TIM1->CCR3的值,PWM佔空比就會以12.8khz的刷新率改變。

到此為止SPWM逆變器的軟體就完成了。只要正確連接硬體就能輸出SPWM波。只要改變TIM17ARR值就能改變佔空比刷新頻率,實現變頻。

五、硬體設計硬體上需要一個全橋,全橋PCBlayout和選型看我之前的帖子。懶得搞的話,我也有一個現成的全橋模塊我發布在立創的開源平臺上了,已經打樣驗證過實物。記得點讚收藏評論三連哦(笑)。這還懶得搞的話請拿錢砸我。

硬體上短接L1和H2,短接L2和H1,任意連接單片機的pwm和互補pwm到兩個輸入端,小心不要接錯。在全橋輸出端接上LC濾波器,上電開機就能看到正弦波了。

將這個正弦波接到變比合適的工頻變壓器上就可以升壓到220v。我手頭上沒有合適的變壓器就不測了。不過比較常規的方案是先升壓到400v直流在輸入高壓全橋逆變成交流電,這樣體積可以做的比較小兩路相差180度正弦波能驅動步進電機,三路依次相差120度的正弦波就是三相逆變器。

上兩張測試圖吧。

工程代碼及開源連結請點擊文章底部的「了解更多」。進入帖子內獲取

謝謝觀看!

關注數碼之家網瀏覽更多精彩資訊、拆機圖文DIY

技術交流請聯繫原作者

作者:hbozyq

本文來源:數碼之家

相關焦點

  • 逆變器介紹_全硬體純正弦波逆變器電路圖
    打開APP 逆變器介紹_全硬體純正弦波逆變器電路圖 李建兵 發表於 2018-01-04 14:47:54 你有沒有想過自己手工
  • SPWM變頻調速的基本原理與在交流伺服電機中SPWM變頻調速方法
    spwm的應用  SA8281型SPWM波發生器原理及在變頻器中的應用  脈寬調製技術通過一定的規律控制開關元件的通斷,來獲得一組等幅而不等寬的矩形脈衝波形,用以近似正弦電壓波形。脈寬調製技術在逆變器中的應用對現代電力電子技術以及現代調速系統的發展起到極大的促進作用。
  • 正弦波逆變器的判定方法_如何將正弦波變成方波
    正弦波逆變器的判定方法   可以利用示波器觀察逆變器電壓的圖像是正弦波還是方波。還可以根據特點來判斷:正弦波逆變器輸出的是同我們日常使用的電網一樣甚至更好的正弦波交流電,因為它不存在電網中的電磁汙染。   方波逆變器輸出的則是質量較差的方波交流電,其正向最大值到負向最大值幾乎在同時產生,這樣,對負載和逆變器本身造成劇烈的不穩定影響。同時,其負載能力差,僅為額定負載的40-60%,不能帶感性負載。
  • 30KVA通信專用逆變器-工頻正弦波逆變一體機價格-濟南能華
    220V逆變器 直流220V變交流220V逆變器 DC28V航空逆變器 DC28V變AC220V正弦波逆變器 DC600V鐵路機車逆變器 DC600V變AC220V高頻正弦波逆變器 DC600V變AC380V高頻正弦波逆變器 並聯逆變電源 高頻通信開關電源 直流110V鐵路逆變電源 UPS電力逆變器 UPS電力逆變電源 UPS通信逆變電源
  • 8000W高壓正弦波逆變器-40KVA直流600V轉交流220V逆變器【廠家...
    8000W高壓正弦波逆變器-40KVA直流600V轉交流220V逆變器【廠家】-能華電源高頻正弦波逆變器,鐵路專用逆變器,通信專用逆變器 ,電力專用逆變器 ,機架式逆變電源,工頻正弦波逆變器,DC110V機車空調專用逆變器,DC48V通信專用逆變器
  • DC600V變AC380V高頻正弦波逆變器-25KVA大功率逆變器/廠家【能華...
    純直流輸入,直流斷電後逆變電源關機停止工作。光伏正弦波逆變器電站設備壽數是25年,並且放在戶外,簡單遭到外界影響,設備接地後,就能夠削減事端的發生。▌(3)正弦波逆變器參閱電位。本系列的太陽能控制逆變一體機是電力和通信系統新一代專用電源,主要針對中國電網環境而設計,採用先進的正弦波脈寬調製(SPWM)技術。
  • 20KVADC28V航空逆變器-高頻正弦波逆變電源品牌能華
    220V逆變器 直流220V變交流220V逆變器 DC28V航空逆變器 DC28V變AC220V正弦波逆變器 DC600V鐵路機車逆變器 DC600V變AC220V高頻正弦波逆變器 DC600V變AC380V高頻正弦波逆變器 並聯逆變電源 高頻通信開關電源 直流110V鐵路逆變電源 UPS電力逆變器 UPS電力逆變電源 UPS通信逆變電源
  • 逆變器該如何選擇?SADE戶外電源帶你盤點逆變器的那些事~
    我們在挑選戶外電源產品時,經常會看見標有純正弦波逆變器和修正波逆變器這兩種逆變器。他們之間都有哪些特點?我們又該如何選擇?對於這些問題你是否了解呢?在聊純正弦波和修正波逆變器之前,首先,我們要知道逆變器是什麼。
  • 逆變器該如何選擇?SADE戶外電源帶你盤點逆變器的那些事
    我們在挑選戶外電源產品時,經常會看見標有純正弦波逆變器和修正波逆變器這兩種逆變器。他們之間都有哪些特點?我們又該如何選擇?對於這些問題你是否了解呢?在聊純正弦波和修正波逆變器之前,首先,我們要知道逆變器是什麼。
  • 如何選擇購買逆變器
    如何選擇購買逆變器什麼是逆變器逆變器是在發生電源故障時為電器供電的設備。顧名思義,逆變器首先將AC轉換為DC以為電池充電,然後將DC轉換為AC為電動設備供電。現在市場上有各種類型的逆變器,其中最高效的是純正弦波逆變器,它產生類似於家用波形電源的交流電。方波和準正弦波逆變器通常為低成本類型,但效率低於純正弦波逆變器,因為某些電器在這些逆變器中無法正常工作。太陽能逆變器現在很流行以節省能源,但由於它需要非常大的太陽能電池板,因此其成本將很高。
  • 直流110V變交流220V逆變器-可攜式逆變器【品牌】-能華電源
    ,DC600V變AC380V高頻正弦波逆變器,並聯逆變電源,高頻通信開關電源l 採用先進的PWM+SPWM脈寬調製技術該系列高頻電力專用逆變電源採用先進的PWM+SPWM脈寬調製技術,輸出為穩頻穩壓、濾除雜訊、失真度低的純正弦波。
  • 基於Verilog HDL的SPWM全數字算法的FPGA實現
    3 系統模塊的設計與實現  3.1 直接數字頻率合成模塊[8]  直接數字頻率合成DDS是採用數位化技術,通過控制頻率控制字直接產生所需的各種不同頻率信號,突破了模擬頻率合成法的原理,從「相位」的概念出發進行頻率合成。這種合成方法不僅可以給出不同頻率的正弦波,而且還可以給出不同初始相位的正弦波,甚至可以給出各種任意波形。
  • 30KVA直流600V轉交流220V逆變電源-電力UPS逆變器品牌能華
    220V逆變器 直流220V變交流220V逆變器 DC28V航空逆變器 DC28V變AC220V正弦波逆變器 DC600V鐵路機車逆變器 DC600V變AC220V高頻正弦波逆變器 DC600V變AC380V高頻正弦波逆變器 並聯逆變電源 高頻通信開關電源 直流110V鐵路逆變電源 UPS電力逆變器 UPS電力逆變電源 UPS通信逆變電源
  • 電機控制器SPWM原理 (一)
    作為半導體功率開關的IGBT來說,其放大功能很弱,所以驅動信號並非正弦信號,而是正弦波(或梯形波)與三角波比較之後生成的脈寬方波,那麼具體是怎麼比較出脈寬方波的呢?又是怎樣驅動的呢?下面就跟隨小編仔細的閱讀下面的介紹吧!SPWM 用輸出的正弦信號作為調製波, 用高頻三角波作為載波, 控制逆變器的一個橋臂的上、下兩個開關管導通與關斷。
  • 對逆變器、轉換器、變壓器和整流器之間的區別分析
    在針對特定的電源輸入和輸出進行設計時,了解逆變器、轉換器、變壓器和整流器之間的區別必不可少。 逆變器: 1、直流電可以通過震蕩電路變為交流電;        2、得到的交流電再通過線圈升壓(這時得到的是方形波的交流電);        3、對得到的交流電進行整流得到正弦波。
  • 單相工頻逆變器-3KVA電力高頻逆變電源/高頻/工頻【濟南能華】
    單相工頻逆變器-3KVA電力高頻逆變電源/高頻/工頻【濟南能華】高頻正弦波逆變器,鐵路專用逆變器,通信專用逆變器 ,電力專用逆變器 ,機架式逆變電源,工頻正弦波逆變器,DC110V機車空調專用逆變器,DC48V通信專用逆變器,DC220V
  • 逆變器變壓器偏磁校正方法介紹
    而SPWM正弦波逆變器的每個開關周期脈寬本來就不相同,採用此方法會導致嚴重地偏離SPWM模式,產生調製失真,最終使輸出波形發生畸變。對於SPWM正弦波逆變器。   3、正弦波逆變器抑制偏磁的新方法   概括地說,逆變橋SPWM波正負脈衝不對稱是引發偏磁的根本原因。
  • 80KVADC110V可攜式鐵路逆變器-直流600V轉交流220V逆變電源品牌能華
    直流110V變交流220V逆變器 直流220V變交流220V逆變器 DC28V航空逆變器 DC28V變AC220V正弦波逆變器 DC600V鐵路機車逆變器 DC600V變AC220V高頻正弦波逆變器 DC600V變AC380V高頻正弦波逆變器 並聯逆變電源 高頻通信開關電源 直流110V鐵路逆變電源 UPS電力逆變器 UPS電力逆變電源 UPS
  • 實現應急電源中逆變器輸出交流電壓適時調節的設計
    目前,逆變電源大多採用正弦波脈寬調製(SPWM)技術,其控制電路大多採用模擬方法實現。模擬控制技術雖然已經非常成熟,但存在很多缺點如:控制電路的元器件多,電路複雜,體積較大,靈活性不夠等。本文設計了一種全數位化的三相PWM逆變電源,利用專用SPWM波形發生器與單片機連接產生逆變驅動信號SPWM波,設計中選用了單片機C8051F020控制和MITEL公司的SA4828晶片作為波形發生器。
  • 光伏儲能系統關鍵設備之離網逆變器
    在光伏離網系統中,逆變器的主要作用是把蓄電池的直流電逆變成交流電。逆變器常用於離網系統中,輸入接光伏控制器和蓄電池,輸出帶負載。離網系統應用廣泛,逆變器形式多樣。按輸出波形分為修正波逆變器和正弦波逆變器;按電氣隔離方式又分為高頻正弦波逆變器和工頻正弦波逆變器;把控制器和逆變器分開設計,各自單獨接線,叫分體式;把控制器和逆變器合在一起,叫一體機,也叫逆控制一體機。