這是我組參加2017年是寫的論文。如有寫的不好的地方，希望能夠幫助指出。

摘要：本系統是一種採用STC15F2K60S2微控制器為核心的SPWM微型逆變器，微控制器通過自然數查表法控制內部3路PWM產生SPWM訊號，採用雙極性除錯方案，以驅動晶片IR2104S為核心驅動MOSFET三相全橋逆變電路，輸出經過LC濾波，接上三相對稱Y連線電阻負載後，產生穩定的50HZ正弦波交流電，其中正弦波交流電的頻率由微控制器程式來控制。本系統可通過按鍵調節正弦波交流電的頻率高低以及整個系統的各個工作模式。通過獨立鍵盤和12864液晶顯示屏來選擇和顯示工作模式。

系統方案論證

1、逆變系統的論證和選擇
方案一：使用三相正弦波逆變專用晶片EG8030，實現最大化的硬體控制。
通過用EG8030設計出來的電路，調節兩個電位器分別調節到頻率跟佔空比，系統輸出時序控制到合適位置，引出三端交流正弦波訊號。此方案的缺點是使用硬體調節，靈活性比較低。
方案二： 自行設計SPWM產生電路，再搭建移相驅動電路驅動6路MOSFET，從而產生三相正弦交流電。此方案電路複雜，PWM產生波形不穩定，可調性不高。
方案三：採用SPWM逆變器，SPWM逆變器都採用的是等效原理實現的，即讓逆變器輸出的波形是一系列的和正弦波一樣效果的雖不等寬但等幅的矩陣脈衝波形，它的主題思想方法就是等面積法。通過微控制器輸出3路SPWM訊號，SPWM經過驅動晶片後驅動MOSFET生成3路相位相差120°的正弦訊號，正弦訊號接在三相對稱Y連線電阻負載後，產生穩定的正弦波交流電，頻率可通過微控制器調節。基本能實現題目要求。SPWM訊號經過驅動晶片產生失真後，系統就沒辦法產生穩定的正弦交流電，所以對SPWM訊號的產生和驅動模組要求較高。
綜合以上方案比較，我們決定選用方案三。
2、主控模組的選擇
方案一：採用恩智浦公司的MK60DN512ZVLQ（Cortex-M4核心），該晶片的內部資源豐富，處理速度快、穩定性高。對於微處理的系統除錯方面非常適合。
方案二：採用STM32RCT6這款晶片擁有ARM最新的、先進架構的Cortex-M3核心、優異的實時效能、處理速度快、低功耗等優點。同時這款晶片比K60的價格便宜。
方案三：採用STC15F2K60S2，這款晶片的I\O口資源較多，對於我們本系統的設計已足夠，且使用簡便，價格便宜，對於系統的各項要求也達到，價效比很高。
綜合以上方案比較，系統選用STC15F2K60S2作為系統主控晶片。
3、MOSFET驅動模組選擇：
方案一：基於三極體等元件組成的驅動電路，這種驅動電路的好處是價格便宜且結構簡單，但是本設計的要求的驅動電路必須高於電源電壓的電路，所以如果選擇這種驅動電路就需要再為它增加一個驅動電源，這無疑增加了設計的難度。
方案二：半橋式驅動電路，本全橋驅動電路採用IR2104作為它的驅動晶片，該晶片的優點是結構簡單效能可靠並且能即大的提升電路的穩定性且降低了設計難度。該晶片採用被動式泵荷升壓原理。
綜合以上方案比較，系統選用IR2104驅動晶片作為MOSFET的驅動模組。

整個系統由電源模組對各個模組進行供電，由微控制器的三路硬體PWM通過程式控制輸出三路SPWM，經過濾波電路後形成三路相位相差120°的正弦交流電。本系統總設計框圖如圖1-1-3所示：

圖1-1-3 系統總設計框圖

理論分析與計算
逆變器效率分析
逆變器的主要損耗耗在於MOSFET的導通損耗和續流二極體的續流損耗。
提高逆變器的效率：在引數允許的範圍內更換效能更好的MOSFET，選擇導通內阻較小的MOSFET;在引數允許的範圍內更換高效能的續流二極體的，選擇導通壓降低的二極體。
兩臺逆變器同時執行模式控制策略分析
系統設定有獨立按鍵與液晶功能，能對系統進行模式切換並進行顯示，能夠切換有三種模式：逆變器1工作；逆變器1、2同時工作；逆變器1、2都不工作。在電路設計方面利用系統的通斷電來控制模式的轉換，對逆變器2控制輸出的是遠高於微控制器的IO口耐受電壓的，所以系統加入繼電器模組，利用繼電器的放大作用，控制大功率電路的特點，使用三個繼電器同時對三路正弦波訊號進行有效的控制。另外，在程式設計方面對IR2104晶片的使能端進行控制，有效對逆變器工作的控制。

電路與程式控制
1、電路的設計：
 

本系統的電路中充分考慮了功耗，效率等問題。為了逆提高變器的效率，系統採用低功耗的器件，如IR2104等，同時系統對直流供電進行優化處理，使得接上負載後，電壓穩定在一定範圍，不會出現大的波動範圍。
逆變器主電路原理圖
如圖3-1-1所示，對於MOSFET的選型，我們選擇了導通電阻低的IRF540N，540場效電晶體即33A 110V的場效電晶體，這種場效電晶體無論是從耐壓方面考慮還是從通斷時間方面考慮都能滿足設計的要求；三相輸出後面LC電路構成一個濾波器，目的是得到純正弦波的交流輸出 ；二極體的作用是在開關管閉合時提供續流回路，二極體的導通壓降也會降低逆變器的效率。

圖3-1-1逆變主電路圖
驅動電路模組原理圖
3個驅動電路模組驅動6個MOSFET工作

電源模組電路原理圖

系統的負載線電流有效值為2A時，線電壓有效值是24V，即直流電源供電電壓為：U_IN=24V×√3=41.568V
考慮到實驗室穩壓源輸出的最大直流電是25V，所以本系統採用大功率變壓器，市電的220V經過變壓器整流後再經過升壓可調模組將電壓穩定在41.568V，然後41.568V直流電源經過三端穩壓晶片穩壓12V和5V分別給驅動晶片和微控制器供電，如圖3-1-3

圖3-1-3電源模組電路原理圖

2、程式的設計
程式功能描述：
本方案所產生的正弦波需要15微控制器產生SPWM波然後通過IR2104去驅動金氧半導體管（即MOS管）。程式設計中有獨立按鍵，用來設定工作狀態（逆變器1工作或者逆變器和一起工作），另外，設定了兩個按鍵用來微細調整生成正弦波的頻率。

2）程式設計思路：
要讓微控制器產生正確可用的SPWM，需要程式設計一定的演算法來產生波形。
我們根據整合為1的思想，將正弦波分成305等分，因為頻率需要50HZ，那麼週期就是20MS，20MS除於305分，相除出來的值非常接近65US，然後我們利用定時器0進行中斷定時，每進入一次中斷產生一個相對應占空比的值，然後在示波器上顯示出來的SPWM
將一個週期的正弦波用正弦公式計算出相應的佔空比，然後通過驅動電路以及濾波電路生成了正弦波形。

3）程式流程圖

圖3-2-3主程式流程圖

產生SPWM訊號子程式流程圖

測試方案與測試結果

1、測試方案
用電流表、電壓表和示波器按照基本要求進行逐項測試，測試時接線儘量短提高轉換效率。按照圖4-1-1

圖4-1-1
2、測試條件與儀器
測試條件：檢查多次，模擬電路和硬體電路必須與系統原理圖完全相同，並且檢查無誤，硬體電路保證無虛焊。
測試儀器：高精度的數字毫伏表，模擬示波器，數字示波器，數字萬用表，指標式萬用表。
表4.2 測試使用的儀器裝置
序 號 名稱、型號、規格 數量 備註
1 勝利VC9808+數字萬用表 4 勝利儀器
2 ADS1000 示波器 1 頻寬200MHz

3、測試結果及分析
1）逆變器1單獨工作時，接上三相對稱Y連線電阻（10歐/150W）負載後，首先測量的微控制器有沒正確地輸出SPWM波，如圖4-3-1所示，符合程式；經過LC濾波器後產生的三相正弦交流電如圖4-3-2所示，電壓達到24V，頻率為50HZ，但電流只達到1.5A左右。

圖4-3-1 微控制器輸出的SPWM波

圖4-3-2 SPWM經過濾波電路後輸出的波形
測試結果分析
造成逆變器1這種結果，經分析應有如下幾點可能：
直流電源的帶負載能力弱，提供不了大電流；
當負載線電流為2A，線電壓的有效值為24V,負載電阻應為12歐，而測量的負載是10歐，理應線電流達到2.4A，但實際只有1.5A，在實際除錯中，我們的負載是不可調的，想通過調節電阻來改變電流成為不可能；
逆變器的的內部損耗過大，導致負載的電流降低；
對於三相交流電的認識不深，測試方案不正確，導致測量的資料有誤。
3）由於達不到基本要求（1）的工作條件，其餘的要求測量已經沒有任何意義，所以，一直都在尋找問題的根源，在硬體除錯的過程中，可能是沒有區分功率地和模擬的地，時常會發生短路現象，在搭建逆變器主電路和驅動模組整合的電路板上電後會發生短路，把它們獨立分開用杜邦線進行搭建的時候，就能正常工作；原本想用直流電源1再經過三端穩壓晶片進行穩壓12V和5V分別給驅動晶片IR2104和微控制器進行供電的，把電路拼接完成未上電前電路並沒短路，上電後，還是發生了短路現象，多次檢查電路均沒發現問題，直至比賽結束，還沒有找出原因，無奈之下，只能分別給驅動晶片和微控制器獨立供電。

結論與心得

對於電賽這種大型的比賽，對大學生的能力有著很高的要求，所以，當有想要參加這種比賽的時候，就一定要提前做準備，努力的提升自己這方面的能力，不然到比賽那天時候就會一頭霧水。
比賽前，我們團隊三個成員都是匆匆忙忙從智慧車恩智浦杯華南賽區趕回來，回來之後一直都有在準備電源有關的知識，並且搭建出一些開關電源模組，但從沒接觸過逆變器這方面的知識，但題目出來後我們依然決定做電源題，一切從零開始，我們想鍛鍊自己，我們三個人一致認為，無論是賽前準備還是比賽過程，做電源題學到的電子知識遠遠比其它組別的多，所以無論有多難，我們都迎頭而上，熬了整整四天三夜，當調出交流正弦波形的時候，我們都非常的興奮，當測試基本要求1的時候，我們又開始沮喪了，但我們一刻都沒有放棄，不斷都吸取新知識，不斷地去尋找解決的辦法，無奈最終，只能調到24V，50HZ的正弦交流電，好像我們離成功只差一步，但那一步好像又遙不可及。
四天三夜即將過去，雖有不甘，但我想無論時間怎樣流逝，我們都會永遠記住這段非常難忘的時光，隊友們一起奮鬥過的日子是最珍貴與來之不易的，也很感謝這次全國電子設計比賽能給我們帶來更多的實踐機會。

參考文獻

[1] 劉風君.正弦波逆變器[M].北京:科學出版社,2002
[2] 劉斌.併網逆變多目標約束預測控制器設計及線上演算法.中國電機工程學報.2014
[3] 李愛文、張承慧.現代逆變技術及其應用[M].電子工業出版社.2006
[4] 陳增祿.SPWM數字化自然取樣法的理論及應用研究.中國電機工程學報.2005
[5] 譚浩強.C語言程式設計[M].北京:清華大學出版社,2012
 
附錄1
實物圖：

附錄2
微控制器源程式：
//主函式
void main(void)
{
Delay_ms(2); //系統短暫延時，
Init_pwm();
InitTimer0();
EA=1;//開總中斷

LCD12864_Init(); //LCD12864液晶初始化

//初始化逆變器1與逆變器2的2104使能關閉
SD1_A = SD1_B = SD1_C = 0;
SD2_A = SD2_B = SD2_C = 0;

while(1)//主迴圈
{
key_scan();
}
}

//按鍵檢測函式
void key_scan()
{
if(0 == key_1)
{
delay(100);
if(0 == key_1)
{
LCD12864_Display(LINE4+0,”逆變器一工作 “);
SD1_A = SD1_B = SD1_C = 1; //逆變器1的2104使能開啟
SD2_A = SD2_B = SD2_C = 0; //逆變器2的2104使能關閉
delay(250);
}
while (!key_1);
}

if(0 == key_2)
{
delay(100);
if(0 == key_2)
{
SD1_A = SD1_B = SD1_C = 1; //逆變器1的2104使能開啟
SD2_A = SD2_B = SD2_C = 1; //逆變器2的2104使能開啟
LCD12864_Display(LINE4+0,”逆變器一、二工作”);
delay(250);
}
while (!key_2);
}

if(0 == key_3)
{
delay(100);
if(0 == key_3)
{
SD1_A = SD1_B = SD1_C = 0; //逆變器1的2104使能關閉
SD2_A = SD2_B = SD2_C = 0; //逆變器2的2104使能關閉
LCD12864_Display(LINE4+0,”逆變器準備工作中”);
delay(250);
}
while (!key_3);
}

if(0 == key_4)
{
delay(100);
if(0 == key_4)
{
cry_in++; //頻率減少
delay(250);
}
while (!key_4);
}

if(0 == key_5)
{
delay(100);
if(0 == key_5)
{
cry_in–; //頻率增加
delay(250);
}
while (!key_5);
}
}