前言
研究目的及要求
掌握正弦波逆變器的電路的組成，重點明白其中中各元器件的原理及用處，對正弦波逆變電路在電阻負載、電阻電感負載是的工作情況及其波形作全面分析，並研究工作頻率對電路工作波形的影響。採用SPWM控制方式對逆變橋進行調製，最後經電容、電感過濾實現正弦波逆變的目的。
內容概述
本文主要從系統分析、硬件設計、程序設計和實驗測試四個方面闡述“三相SPWM逆變電路的設計”。開始概述逆變器基本概念原理和SPWM控制技術，硬件設計介紹本次設計系的統結構框圖，簡要說明了單片機的選型、半橋驅動電路等，軟件設計主要說明本設計的程序流程圖；實驗部分通過對設計電路的測試，說明試驗結果。
系統分析
逆變器的基本概念與工作原理
正弦波逆變器的電路構成
如圖所示，本電路由兩部分組成,將交流轉化爲直流的這個部分屬於整流,整流器的作用是把交流電轉化爲直流電，這個過程可以是不可控的，也可以是可控的，這部分採用不可控的二極管將交流變成直流。整流之後採用用電容進行濾波,濾波器的作用是將波動的直流量過濾成平展穩定的直流量,整個過程無論是從結構上還是性能上都能滿足實驗要要。最後直流變交流的部分爲逆變部分,逆變器的作用是將直流電轉化爲交流電經過電感濾波後然後供給負載,這裏的LC濾波是爲了濾除高次諧波，得到到正弦波，而逆變器因爲它輸出的電壓和頻率與輸入的交流電源無關所以爲稱爲無源逆變器，它是正弦波逆變電路的核心，這裏採用採用三相橋式逆變電路,用PWM控制調節輸出電壓及頻率的大小。
常用的逆變器調壓方法：
可控整流器調壓：通過負載對電壓的要求，使用可控的整流器來完成對逆變器輸出電壓的調節。
直流斬波器調壓：在確定逆變器的電源側有較高功率的情況下，通過不可控整流器可以 在直流環節中通過設置改變直流斬波器來進行對電壓的調節。
逆變器自身調壓：在採用不可控整流器的前提下逆變器能用自身的電子開關進行斬波控制，這樣就可以得到脈衝列，通過改變輸出電壓脈衝列的脈衝寬度，就可達對輸出的電壓進行調節，這種方法被稱爲脈寬調製（PWM）。
逆變器的基本類型
如果是直流輸入端濾波器，那麼它可以分爲兩種，分別是電流型和電壓型，其中電流型逆變器它的中間部分採用的是大電感進行濾波，這樣的輸入電流的特點是具有阻抗大電流平，就彷彿似電流源，而電壓型逆變器的中間部分則採用大電容進行濾波，這樣的逆變器的輸入電壓的特點是阻抗小且電壓平直，就彷彿電壓源。而如果按電子開關的頻率進行區別則同樣可分爲 兩種分別是120°的導電型逆變器和180°的導電型逆變器。
PWM控制技術
PWM控制技術翻譯過來就是脈寬調製技術，它是原理是假如有一系列的脈衝想要變成需要的波形，那麼就可以通過等效法對脈衝的寬度進行改變來等效着獲得需要的波形，波形包含形狀和幅值，這種控制的想法來源於於通信技術。隨着全控型器件的飛速發展可以十分輕鬆的把PWM控制技術實現，而且這種PWM控制技術在電力電子類方面的用處非常大且極其普遍，各種電力電子裝置通過使用它而在性能方面得到了極大的改變，所以它在電力電子技術的整個歷史擁有着舉足輕重的地位，而PWM控制技術能在電力電子技術中擁有這種舉足輕重的地位主要還是因爲它在逆變電路中被完美的應用了，直到目前爲止PWM控制技術被普遍採用與各式各樣的逆變電路。
PWM控制技術的面積等效方法
PWM控制技術的理論基礎就是面積等效法，而面積等效法的核心思想就是假如把一系列具有相同衝量但是形狀不一的窄脈衝施加在一個具有慣性的環節上，那麼它們的效果就基本上是一樣的，在這裏相同的衝量其實就是相同的面積如圖2.3.1。
2.3.1正弦波正半周的等效PWM波圖
在正弦波的負半週上使用等面積法依舊可得到PWM波形，所以在一個完的整週期內正弦波的等效PWM波如圖2.3.2所示。
2.3.2單極性調製等效正弦波的SPWM波圖
目前還有一種被採用更多的等效方式，用的也是等面積發如圖2.3.3所示。
2.3.3雙極性調製等效正弦波的SPWM波圖
基於PWM控制技術的逆變電路
至今爲止PWM控制技術已被運用到了大多數的逆變電路之中，這種逆變電路既有電流型又電壓型而後者被用到的更多。有兩種方法法可以獲得PWM波形，它們分別是通過計算獲得和通過調製獲得，其中前者是根據正弦波的一系列數據進行精確計算得出每個脈衝的寬度和他們之間的間隔，以此來操控開關器件的通斷來得到PWM波形；而後者是把調製信號的比作想要輸出的波形，通過對信號進行調製來得到想要的PWM波形。
雙極性PWM調製技術
按一定方法對電壓的輸出脈衝列裏面的各脈衝寬度進行改變從而使得使電壓的輸出脈衝列在週期內的時間相對於均值按正弦的規律變化，這就是SPWM，這種技術把等腰三角波電壓當做載波信號，而調製信號則用正弦波電壓，最後把這兩種信號進行比對，以此來確定每個分段的矩形脈衝的寬度。
因爲三角波和正弦波的區別主要源於它們的極性是不一樣的，所以可以把SPWM分爲單極性和雙極性的，在這次設計中採用的三相橋式逆變電路，這種逆變電路兩種調試方式都可以使用，在這裏採用了雙極性PWM調製技術的方法，它的原理如圖2.3.4所示。
2.3.3雙極性PWM原理
在採用雙極性PWM調製技術時候,把信號波用這種方法得到的交流正弦輸出波替代同時把載波用三角波替代,將這二者進行對比，各開關的通斷在這兩種波的交點時刻進行改變，由此可以看出在信號波的一個週期內,無論是載波還是調製來的輸出波形都是正負皆有,所以它其輸出波形具有±Ud兩種電平，把信號波和載波分別用ur和uc來表示，當信號波大於載波的時刻,同時施加開通和關斷信號，其中開通信號給V1和V4關斷信號給V2和V3,此時如果io是大於零的那麼V1和V4開通反之則是VD1和VD4開通,但是它們的電壓輸出都是uo等於Ud。同理當載波大於信號波的時候,那麼用同樣的方法可以得到V2和V3或着VD2和VD3開通的結果,不同的是它們的電壓輸出卻是uo等於負的Ud。
SPWM逆變器的工作原理
SPWM逆變器的主題思路就是有一個逆變器，希望它輸出的電壓波形是正弦的，因爲至今爲止以現在的技術造出的可以改變頻率和電壓的逆變器無法像正弦波逆變器那樣的小體積大功率且輸出波形光滑。
現在的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。
硬件設計
本正弦波逆變器主要用的是SPWM控制技術，整體的電路具有簡單的結構而且在機械特性方面也表現良好同時價格也比較低廉，這樣的設計能完美達到題目的需求並且已經在各種相關的行業裏被普遍採用。
總體原理圖
本系統主要採用的硬件濾波電路、三相全橋逆變電路、LC濾波器、單片機、按鍵設置電路、顯示模塊、電壓檢測電流，電流檢測電路以及一些外圍電路，具體系統框圖如圖3.1所示。
3.1系統框圖
電路原理圖
3.2主迴路原理圖
從圖3.2中可以看出，直流電輸入後，先通過2個電容串聯構成的濾波電路，得到輸入電壓的一半作爲中點電位，作爲三相輸出的參考地。在逆變的部分採用了6個金屬氧化物半導體管（即MOS管）組成了一個三相橋式逆變電路，最後使用用雙極性的調製方式進行調製，輸出的SPWM波形過經電感、電容組成的LC濾波器濾除高次諧波，最後在負載就能獲得三相的純正弦波交流電壓輸出。
單片機的選擇
本設計所採用的單片機是STC15F2K60S2，它能使系統的到充分的實現，內部自帶高精度（0.4%）內部振盪器，它還擁有38個I/O口，該單片機內置上電覆位電路，有8路10位ADC模數轉換、每個I/O能設置成輸入輸出模式，並且具有具有3路PWM輸出，通過軟硬件設計，實現多功能的電機控制。且性價比高，抗靜電，抗干擾，低功耗，低成本。
濾波電路
濾波電路的作用是把直流電壓過濾，過濾掉其中不平整的脈動，這樣的目的是確保之後的電路環節能得到優秀質量的電壓或電流，本電路的濾波電路部分採用的是電容濾波電路。雖然從理論上來講只要電容值越大那麼過濾的效果就越好，但是出於對實際的考慮無論結構上還是價值上都不能這樣，所以要計算電容的實際大小。
通過2個電容串聯構成的濾波電路，得到輸入電壓的一半作爲中點電位，作爲三相輸出的參考地。
場效應管的選擇
如圖3.3所示的三相全橋電路，其電路中需要用到6個場效應管，電路的A端和B端都要與用電器連接。由於是市電接入所以要選用擁有足夠大耐壓值的場效應管，本設計選用540場效應管即33A 110V的場效應管，這種場效應管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。
驅動電路的選擇
方案一： 基於三極管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爲它增加一個驅動電源，這無疑增加了設計的難度。
3.4三極管分立元件驅動電路
方案二： 半橋式驅動電路，本全橋驅動電路採用IR2104作爲它的驅動芯片，該芯片的優點是結構簡單性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。該芯片採用被動式泵荷升壓原理。上電時，電源流過快恢復二極管D向電容C充電，C上的端電壓很快升至接近Vcc，這時如果下管導通，C負級被拉低，形成充電迴路，會很快充電至接近Vcc，當PWM波形翻轉時，芯片輸出反向電平，下管截止，上管導通，C負極電位被擡高到接近電源電壓，水漲船高，C正極電位這時已超過Vcc電源電壓。因有D的存在，該電壓不會向電源倒流，C此時開始向芯片內部的高壓側懸浮驅動電路供電，C上的端電壓被充至高於電源高壓的Vcc，只要上下管一直輪流導通和截止，C就會不斷向高壓側懸浮驅動電路供電，使上管打開的時候，高壓側懸浮驅動電路電壓一直大於上管的S極。採用該芯片降低了整體電路的設計難道，只要電容C選擇恰當，該電路運行穩定。
3.4基於IR2104的半橋驅動電路
因爲本設計的要求是簡單的結構和穩定的電路，無疑第二種方法最能達到要求，所以就選擇方案二。
逆變器工作模式的控制策略
本設計共有兩組逆變器，通過按鍵切換電路的工作模式，具體流程如下圖所示。
圖二 逆變器工作流程圖
程序設計
程序選擇說明
要完成本正弦波逆變器的設計除了硬件方面的設計還需要進行開軟件的設計，爲了實現單片機的各種功能，軟件程序的編制是不可缺少的。對於本系統的軟件編程主要有兩種編程語言，分別是彙編和C語言。彙編語言的優點是運行速度快但它也存在但難編程和難調試的缺點，而作爲準高級語言的C語言卻具有良好的可讀性，並且調製過程調試簡單明瞭還有很好的移植性好，所以本系統採用C語言來編寫程序，MPLAB IDE v8.83作爲集成開發環境。
SPWM的分析與計算
自然取樣法的主要問題是SPWM波形每一個脈衝的起始和結束時刻t_A和t_B對三角載波的中心線不對稱，因而求解困難，工程長實用的方法要求計算簡單，誤差不是很大，因此對自然取樣法進行一些近似的處理，得出了各種規則採樣方法。
規則採樣法式波形發生器通過編程方法實現的幾種方式之一，這種方式PWM波產生的諧波小，在三相異步電動機變頻調速系統中，通常採用此種方法。
在三角波的一個週期內，只利用三角波的一個峯值點所對應的正弦函數求值的脈衝以三角波的峯值點對稱，因此這種採樣法稱規則採樣法，如圖一所示。
圖一生成SPWM波的規則採樣
若以單位量1代表三角載波的幅值Uc，則正弦波的幅值Um就是調製度m，m=U_m/U_c ，再由圖1幾何關係可知：
脈寬時間：T_on=T_a/2[1+Msin（2πK/N）]
間隙時間：T_off=1/2（T_c-T_on）
根據脈寬時間計算公式，如果一個週期內有N個矩形波，載波比N=f_c/f_m ，則 第i個矩形波的佔空比：
D_i=1/2[1+m（sin（i*2π/N））]
可見，在已知載波週期Tc、正弦波電壓Um或m以及每個特定時刻的函數值，便可以計算出第i個脈寬時間和間隙時間
SPWM查表
根據正弦波的一系列數據進行精確計算得出每個脈衝的寬度和他們之間的間隔，以此來操控開關器件的通斷來得到PWM波形。
SPWM算法按照規律採用法需要按相同角度步進將正弦波分成等分，本設計將一個正弦波平均分成分成300等分，計算餘弦數值得到一系列數據，並將數據做成程序列表，存儲進單片機的ROM裏面。
uchar code pwm[]={
127,124,122,119,116,114,111,108,106,103,100,98,95,93,90,87,85,82,80,77,75,73,70,68,65,63,61,58,56,54,52,50,47,45,43,41,39,37,36,34,32,30,28,27,25,23,22,20,19,18,16,15,14,12,11,10,9,8,7,6,5,4,4,3,2,2,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,2,2,3,4,4,5,4,7,8,9,10,11,12,14,15,16,18,19,20,22,23,25,27,28,30,32,34,36,37,39,41,43,45,47,50,52,54,56,58,61,63,65,68,70,73,75,77,80,82,85,87,90,93,95,98,100,103,106,108,111,114,116,119,122,124,127,130,132,135,138,140,143,146,148,151,154,156,159,161,164,167,169,172,174,177,179,181,184,186,189,191,193,196,198,200,202,204,207,209,211,213,215,217,218,220,222,224,226,227,229,231,232,234,235,236,238,239,240,242,243,244,245,246,247,248,249,250,250,251,252,252,253,253,254,254,254,255,255,255,255,255,255,255,255,255,254,254,254,253,253,252,252,251,250,250,249,248,247,246,245,244,243,242,240,239,238,236,235,234,232,231,229,227,226,224,222,220,218,217,215,213,211,209,207,204,202,200,198,196,193,191,189,186,184,181,179,177,174,172,169,167,164,161,159,156,154,151,148,146,143,140,138,135,132,130,127}; // 反正弦變化
要使得其輸出三個相位，相移120°的正弦波形的話，那麼三個波形的起始位就得相距離0,n/31,n/32,也就是0，100，200.
主程序流程
主程序裏面是狀態位，4個狀態。
狀態1：模塊1關，模塊2關
狀態2：模塊1開，模塊2關
狀態3：模塊1關，模塊2關
狀態4：模塊1開，模塊2開
調回狀態1
定時器中斷程序
在定時器中斷程序中，通過查表的方式，得到一個單極性SPWM波形。
具體而言，是設定好50HZ輸出正弦波輸出頻率，一個正弦波分辨率爲300，這300個數據對應的是一個正弦波中的SPWM的佔空比。那麼每個佔空比保持的時間是（1/50/300）66.666us。
那麼定時器我們設置爲每66.666us進入一次中斷，每進來一次就將此時對應的數組裏面的數據賦給硬件PWM，給半橋輸入SPWM控制信號，當次數超過299次後，數組又回到最開始，三個半橋都如此執行（只是起始數不一樣，也就是0，100，200.）。這樣循環往復，就得到一個3個完整，相移120°的SPWM波形。經過LC濾波器後，就得到3個完美的正弦波。
關鍵程序：
/**********************************************************
函數說明： 定時器0中斷
**********************************************************/
void Timer0Interrupt(void) interrupt 1
{
TH0 = 0xFF; //重裝定時器初始值高8位
TL0 = 0xBF; //重裝定時器初始值低8位
index_1++; //A相位查表數值
index_2++; //B相位查表數值
index_3++; //C相位查表數值
CCAP0H = CCAP0L = pwm[index_1];
CCAP1H = CCAP1L = pwm[index_2];
CCAP2H = CCAP2L = pwm[index_3];
if(index_1>299) index_1=0;
if(index_2>299) index_2=0;
if(index_3>299) index_3=0;
}
4.2中斷流程圖
按鍵程序
按鍵程序中主要是控制機器的逆變H橋的工作的使能，按第一下，H橋工作，再按下後取反，H橋停止工作。
系統測試
系統仿真
Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理爲廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力於單片機開發應用的科技工作者的青睞。
Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，並持續增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。
於是做了基於proteus的仿真，如下所示。
由於三相變頻的數據量很大，所以導致運行的時候會卡機，導致LC出來的正弦波有些地方有斷層，不過這個不重要，仿真只是爲了驗證電路和程序的可行性。
根據仿真結果，證明這個目前設個設計的電路和程序是可行的。於是根據仿真做出實物作進一步研究。
單片機輸出波形測試
測試方法
第一步：將雙通道示波器的兩個探針接在單片機輸出PWM的引腳；
第二步：記錄波形數據；
第三步：改變單片機輸出SPWM的頻率，返回第一步操作，直到調出50HZ的SPWM波測試完。
測試結果
由於三相的板子有3個輸出端，而我們實驗室只有雙通道的示波器，所以只能測試其中的2個通道，得到的SPWM波形如圖3所示。將該波形經過LC濾波後出來的波形如圖4所示。
圖3 單片機輸出的SPWM波
圖4 單片機輸出的SPWM經過LC濾波後出來的波形
測試結論
通過測試結果可以看出，該逆變器可以輸出三相的50HZ的正弦波電流。另外地本系統外接LCD顯示及按鍵，可手動設定電源輸出電壓頻率，並實時顯示輸出電壓、電流、功率和交流電壓的效率。同時該系統具有過流保護功能，可以在輸出大於2A電流的情況下切斷交流輸出，大大增加了系統的安全性和穩定性。
總結
結論總結
SPWM逆變電源設計全面闡述了正弦波逆變器的基本結構、驅動原理以及硬件軟件的設計。本文所設計的基於PIC單片機的正弦波逆變器具有硬件結構簡單、保護功能完善等特點。主要實現瞭如下功能：
(1)採用STC15F單片機作爲控制核心，加強智能控制；
(2)具有安全控制系統，能實現了系統的過流保護、堵轉保護；
(3)設計了驅動電路、控制電路的設計，提高系統的可靠性：
(4)系統軟件採用模塊化設計，爲二次開發提供了非常便利的條件。
存在問題
由於時間和能力方面的限制，本文所設計的正弦波逆變器還有進一步改善的方法，使系統具有更好的靈活性和穩定性。