这是我组参加2017年是写的论文。如有写的不好的地方，希望能够帮助指出。
摘要：本系统是一种采用STC15F2K60S2单片机为核心的SPWM微型逆变器，单片机通过自然数查表法控制内部3路PWM产生SPWM信号，采用双极性调试方案，以驱动芯片IR2104S为核心驱动MOSFET三相全桥逆变电路，输出经过LC滤波，接上三相对称Y连接电阻负载后，产生稳定的50HZ正弦波交流电，其中正弦波交流电的频率由单片机程序来控制。本系统可通过按键调节正弦波交流电的频率高低以及整个系统的各个工作模式。通过独立键盘和12864液晶显示屏来选择和显示工作模式。
系统方案论证
1、逆变系统的论证和选择
方案一：使用三相正弦波逆变专用芯片EG8030，实现最大化的硬件控制。
通过用EG8030设计出来的电路，调节两个电位器分别调节到频率跟占空比，系统输出时序控制到合适位置，引出三端交流正弦波信号。此方案的缺点是使用硬件调节，灵活性比较低。
方案二： 自行设计SPWM产生电路，再搭建移相驱动电路驱动6路MOSFET，从而产生三相正弦交流电。此方案电路复杂，PWM产生波形不稳定，可调性不高。
方案三：采用SPWM逆变器，SPWM逆变器都采用的是等效原理实现的，即让逆变器输出的波形是一系列的和正弦波一样效果的虽不等宽但等幅的矩阵脉冲波形，它的主题思想方法就是等面积法。通过单片机输出3路SPWM信号，SPWM经过驱动芯片后驱动MOSFET生成3路相位相差120°的正弦信号，正弦信号接在三相对称Y连接电阻负载后，产生稳定的正弦波交流电，频率可通过单片机调节。基本能实现题目要求。SPWM信号经过驱动芯片产生失真后，系统就没办法产生稳定的正弦交流电，所以对SPWM信号的产生和驱动模块要求较高。
综合以上方案比较，我们决定选用方案三。
2、主控模块的选择
方案一：采用恩智浦公司的MK60DN512ZVLQ（Cortex-M4内核），该芯片的内部资源丰富，处理速度快、稳定性高。对于微处理的系统调试方面非常适合。
方案二：采用STM32RCT6这款芯片拥有ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核、优异的实时性能、处理速度快、低功耗等优点。同时这款芯片比K60的价格便宜。
方案三：采用STC15F2K60S2，这款芯片的I\O口资源较多，对于我们本系统的设计已足够，且使用简便，价格便宜，对于系统的各项要求也达到，性价比很高。
综合以上方案比较，系统选用STC15F2K60S2作为系统主控芯片。
3、MOSFET驱动模块选择：
方案一：基于三极管等元件组成的驱动电路，这种驱动电路的好处是价格便宜且结构简单，但是本设计的要求的驱动电路必须高于电源电压的电路，所以如果选择这种驱动电路就需要再为它增加一个驱动电源，这无疑增加了设计的难度。
方案二：半桥式驱动电路，本全桥驱动电路采用IR2104作为它的驱动芯片，该芯片的优点是结构简单性能可靠并且能即大的提升电路的稳定性且降低了设计难度。该芯片采用被动式泵荷升压原理。
综合以上方案比较，系统选用IR2104驱动芯片作为MOSFET的驱动模块。
整个系统由电源模块对各个模块进行供电，由单片机的三路硬件PWM通过程序控制输出三路SPWM，经过滤波电路后形成三路相位相差120°的正弦交流电。本系统总设计框图如图1-1-3所示：
图1-1-3 系统总设计框图
理论分析与计算
逆变器效率分析
逆变器的主要损耗耗在于MOSFET的导通损耗和续流二极管的续流损耗。
提高逆变器的效率：在参数允许的范围内更换性能更好的MOSFET，选择导通内阻较小的MOSFET;在参数允许的范围内更换高性能的续流二极管的，选择导通压降低的二极管。
两台逆变器同时运行模式控制策略分析
系统设置有独立按键与液晶功能，能对系统进行模式切换并进行显示，能够切换有三种模式：逆变器1工作；逆变器1、2同时工作；逆变器1、2都不工作。在电路设计方面利用系统的通断电来控制模式的转换，对逆变器2控制输出的是远高于单片机的IO口耐受电压的，所以系统加入继电器模块，利用继电器的放大作用，控制大功率电路的特点，使用三个继电器同时对三路正弦波信号进行有效的控制。另外，在程序设计方面对IR2104芯片的使能端进行控制，有效对逆变器工作的控制。
电路与程序控制
1、电路的设计：
本系统的电路中充分考虑了功耗，效率等问题。为了逆提高变器的效率，系统采用低功耗的器件，如IR2104等，同时系统对直流供电进行优化处理，使得接上负载后，电压稳定在一定范围，不会出现大的波动范围。
逆变器主电路原理图
如图3-1-1所示，对于MOSFET的选型，我们选择了导通电阻低的IRF540N，540场效应管即33A 110V的场效应管，这种场效应管无论是从耐压方面考虑还是从通断时间方面考虑都能满足设计的要求；三相输出后面LC电路构成一个滤波器，目的是得到纯正弦波的交流输出 ；二极管的作用是在开关管闭合时提供续流回路，二极管的导通压降也会降低逆变器的效率。
图3-1-1逆变主电路图
驱动电路模块原理图
3个驱动电路模块驱动6个MOSFET工作
图3-1-2驱动电路模块原理图
电源模块电路原理图
系统的负载线电流有效值为2A时，线电压有效值是24V，即直流电源供电电压为：U_IN=24V×√3=41.568V
考虑到实验室稳压源输出的最大直流电是25V，所以本系统采用大功率变压器，市电的220V经过变压器整流后再经过升压可调模块将电压稳定在41.568V，然后41.568V直流电源经过三端稳压芯片稳压12V和5V分别给驱动芯片和单片机供电，如图3-1-3
图3-1-3电源模块电路原理图
2、程序的设计
程序功能描述：
本方案所产生的正弦波需要15单片机产生SPWM波然后通过IR2104去驱动金属氧化物半导体管（即MOS管）。程序设计中有独立按键，用来设置工作状态（逆变器1工作或者逆变器和一起工作），另外，设置了两个按键用来微细调整生成正弦波的频率。
2）程序设计思路：
要让单片机产生正确可用的SPWM，需要编程一定的算法来产生波形。
我们根据整合为1的思想，将正弦波分成305等分，因为频率需要50HZ，那么周期就是20MS，20MS除于305分，相除出来的值非常接近65US，然后我们利用定时器0进行中断定时，每进入一次中断产生一个相对应占空比的值，然后在示波器上显示出来的SPWM
将一个周期的正弦波用正弦公式计算出相应的占空比，然后通过驱动电路以及滤波电路生成了正弦波形。
3）程序流程图
图3-2-3主程序流程图
产生SPWM信号子程序流程图
测试方案与测试结果
1、测试方案
用电流表、电压表和示波器按照基本要求进行逐项测试，测试时接线尽量短提高转换效率。按照图4-1-1
图4-1-1
2、测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。
表4.2 测试使用的仪器设备
序 号 名称、型号、规格 数量 备注
1 胜利VC9808+数字万用表 4 胜利仪器
2 ADS1000 示波器 1 带宽200MHz
3、测试结果及分析
1）逆变器1单独工作时，接上三相对称Y连接电阻（10欧/150W）负载后，首先测量的单片机有没正确地输出SPWM波，如图4-3-1所示，符合程序；经过LC滤波器后产生的三相正弦交流电如图4-3-2所示，电压达到24V，频率为50HZ，但电流只达到1.5A左右。
图4-3-1 单片机输出的SPWM波
图4-3-2 SPWM经过滤波电路后输出的波形
测试结果分析
造成逆变器1这种结果，经分析应有如下几点可能：
直流电源的带负载能力弱，提供不了大电流；
当负载线电流为2A，线电压的有效值为24V,负载电阻应为12欧，而测量的负载是10欧，理应线电流达到2.4A，但实际只有1.5A，在实际调试中，我们的负载是不可调的，想通过调节电阻来改变电流成为不可能；
逆变器的的内部损耗过大，导致负载的电流降低；
对于三相交流电的认识不深，测试方案不正确，导致测量的数据有误。
3）由于达不到基本要求（1）的工作条件，其余的要求测量已经没有任何意义，所以，一直都在寻找问题的根源，在硬件调试的过程中，可能是没有区分功率地和模拟的地，时常会发生短路现象，在搭建逆变器主电路和驱动模块整合的电路板上电后会发生短路，把它们独立分开用杜邦线进行搭建的时候，就能正常工作；原本想用直流电源1再经过三端稳压芯片进行稳压12V和5V分别给驱动芯片IR2104和单片机进行供电的，把电路拼接完成未上电前电路并没短路，上电后，还是发生了短路现象，多次检查电路均没发现问题，直至比赛结束，还没有找出原因，无奈之下，只能分别给驱动芯片和单片机独立供电。
结论与心得
对于电赛这种大型的比赛，对大学生的能力有着很高的要求，所以，当有想要参加这种比赛的时候，就一定要提前做准备，努力的提升自己这方面的能力，不然到比赛那天时候就会一头雾水。
比赛前，我们团队三个成员都是匆匆忙忙从智能车恩智浦杯华南赛区赶回来，回来之后一直都有在准备电源有关的知识，并且搭建出一些开关电源模块，但从没接触过逆变器这方面的知识，但题目出来后我们依然决定做电源题，一切从零开始，我们想锻炼自己，我们三个人一致认为，无论是赛前准备还是比赛过程，做电源题学到的电子知识远远比其它组别的多，所以无论有多难，我们都迎头而上，熬了整整四天三夜，当调出交流正弦波形的时候，我们都非常的兴奋，当测试基本要求1的时候，我们又开始沮丧了，但我们一刻都没有放弃，不断都吸取新知识，不断地去寻找解决的办法，无奈最终，只能调到24V，50HZ的正弦交流电，好像我们离成功只差一步，但那一步好像又遥不可及。
四天三夜即将过去，虽有不甘，但我想无论时间怎样流逝，我们都会永远记住这段非常难忘的时光，队友们一起奋斗过的日子是最珍贵与来之不易的，也很感谢这次全国电子设计比赛能给我们带来更多的实践机会。
参考文献
[1] 刘风君.正弦波逆变器[M].北京:科学出版社,2002
[2] 刘斌.并网逆变多目标约束预测控制器设计及在线算法.中国电机工程学报.2014
[3] 李爱文、张承慧.现代逆变技术及其应用[M].电子工业出版社.2006
[4] 陈增禄.SPWM数字化自然采样法的理论及应用研究.中国电机工程学报.2005
[5] 谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2012
附录1
实物图：
附录2
单片机源程序：
//主函数
void main(void)
{
Delay_ms(2); //系统短暂延时，
Init_pwm();
InitTimer0();
EA=1;//开总中断
LCD12864_Init(); //LCD12864液晶初始化
//初始化逆变器1与逆变器2的2104使能关闭
SD1_A = SD1_B = SD1_C = 0;
SD2_A = SD2_B = SD2_C = 0;
while(1)//主循环
{
key_scan();
}
}
//按键检测函数
void key_scan()
{
if(0 == key_1)
{
delay(100);
if(0 == key_1)
{
LCD12864_Display(LINE4+0,”逆变器一工作 “);
SD1_A = SD1_B = SD1_C = 1; //逆变器1的2104使能开启
SD2_A = SD2_B = SD2_C = 0; //逆变器2的2104使能关闭
delay(250);
}
while (!key_1);
}
if(0 == key_2)
{
delay(100);
if(0 == key_2)
{
SD1_A = SD1_B = SD1_C = 1; //逆变器1的2104使能开启
SD2_A = SD2_B = SD2_C = 1; //逆变器2的2104使能开启
LCD12864_Display(LINE4+0,”逆变器一、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; //逆变器1的2104使能关闭
SD2_A = SD2_B = SD2_C = 0; //逆变器2的2104使能关闭
LCD12864_Display(LINE4+0,”逆变器准备工作中”);
delay(250);
}
while (!key_3);
}
if(0 == key_4)
{
delay(100);
if(0 == key_4)
{
cry_in++; //频率减少
delay(250);
}
while (!key_4);
}
if(0 == key_5)
{
delay(100);
if(0 == key_5)
{
cry_in–; //频率增加
delay(250);
}
while (!key_5);
}
}