摘 要

400Hz电源用作精密角度测量仪器的电源，是400Hz电源的一个重要的应用场合，例如给频率为400Hz的自整角机、旋转变压器供电。这两种传感器对电源的频率精度、幅值精度、电压畸变要求苛刻，为了使它们能可靠的工作，提高角度测量数据的精度，高性能的供电电源必不可少。本论文针对角度测量仪器供电电源性能要求，设计了性能优良、体积小、具备完善的过电压、过电流保护功能的400Hz逆变电源。

本文通过分析、比较不同的逆变电路拓扑结构，最终选择全桥式逆变电路；根据电路电压、功率要求，并考虑安全裕量，计算开关管的电压、电流等级，对开关管进行了选型；设计LC滤波器，计算出滤波电感、电容的参数，对输出电压进行滤波；设计RC缓冲电路防止电路中存在的尖峰电压损坏开关器件；针对本系统的特定频率、电压、功率需求，初步确定了变压器的磁芯、原副边匝数和导线规格。设计以芯片HT1118为核心的SPWM控制电路，结合基于芯片IR2110S驱动隔离电路实现对开关管的通断控制，并利用芯片HT1118的功能引脚，设计相应的稳压反馈电路、过压、过流保护电路，保证电源稳定、安全运行。通过SIMULINK对设计的逆变主电路做了仿真验证，根据所设计电路绘制完整电路原理图，设计PCB电路板，完成焊接，对整个样机进行调试，进行详细的实验结果和分析。实验结果表明，本文设计的电路能够很好的配合工作，实现给定的技术指标，可用作精密角度测量仪器的电源。

关键字：400Hz逆变电源；SPWM控制；稳压反馈；电压电流保护

Abstract

Using as the power supply for high-precision angle measuring instruments, is a significant application of 400Hz power source, for instance, serving for 400Hz selsyn or brushless resolver. Those two types of sensors have rigorous requirement for source’s parameters, such as frequency accuracy, amplitude precision and voltage distortion. In order to make such devices work reliable and promote the precision of angle measurement, power source of high performance is indispensable. In this thesis, focusing on the requirements of power supply for angle measuring instruments, a 400Hz power inverter, with fine performance, small volume, and perfect over-voltage, over-current protection, is designed.

In this paper, through the analysis and comparison of different inverter circuit topology, I choose the full-bridge inverter circuit. According to the requirements of the circuit voltage, power, and the safety margin, as well as the switch voltage and current level, the switch tube is selected. And LC filters are designed to filter the output voltage, RC buffers are designed to prevent switch from being destroyed by peak voltage. According to the demands of specific frequency, voltage and power in the system, the transformer magnetic core, primary and secondary turns and wire size are preliminarily determined. The SPWM control circuit uses HT1118, and combines with drive isolation circuit basing on IR2110S to control the switch tube. Additionally, some specified pines on HT1118 are used to design a voltage regulator feedback circuit, overvoltage and overcurrent protection. The designed system is proved to be effective and robust through simulating in SIMULINK. Then, the PCB is designed and welded. Finally, the experimental results were analyzed in detail. The experimental results show that the design of the circuit can achieve a given technical indicators, so it can finely work to serve as a power supply for high-precision angle measuring instruments.

Keywords: 400Hz Invert Power Source; SPWM control; Voltage Regulator Feedback; Overvoltage and Overcurrent protection;

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.2 400Hz逆变电源的国内外研究现状 1

1.3 本文的主要研究内容 2

1.3.1 技术要求 2

1.3.2 主要工作内容 3

1.3.3 工作重难点 3

第2章 系统方案设计 4

第3章 逆变电路设计 5

3.1 逆变电路拓扑结构 5

3.1.1 推挽式逆变电路 5

3.1.2 半桥式逆变电路 5

3.1.3 全桥式逆变电路 6

3.1.4 系统电路总体结构 6

3.2 逆变电路元件参数的确定 7

3.2.1 输出滤波器的设计 7

3.2.2 开关管的选型 9

3.2.3 RC缓冲电路设计 10

3.2.4 变压器的设计 12

3.3 本章小结 14

第4章 辅助电路设计 16

4.1 逆变调制方式设计 16

4.1.1 SPWM控制基本原理 16

4.1.2 SHE-PWM技术基本原理 17

4.1.3 基于HT1118 的SPWM波形发生电路设计 18

4.2 隔离驱动电路设计 19

4.2.1 隔离驱动技术原理 19

4.2.2 基于IR2110S的驱动电路设计 20

4.3 辅助电源设计 22

4.3.1 15V直流电源设计 22

4.3.2 5V直流电源设计 23

4.4 稳压反馈电路设计 23

4.5 保护电路设计 24

4.5.1 电压保护电路设计 25

4.5.2 电流保护电路设计 26

4.6 本章小结 27

第5章 400Hz交流电源仿真与实验 28

5.1 系统模拟仿真 28

5.1.1 SPWM 信号产生和驱动的仿真 28

5.1.2 逆变主电路仿真验证 29

5.2 系统实验 34

5.2.1 实验装置 34

5.2.2 实验波形及分析 35

5.3 本章小结 38

第6章 总结与展望 39

6.1 主要工作与创新点 39

6.2 后续工作展望 39

参考文献 41

附录 43

致 谢 47

第1章 绪论

1.1研究的目的及意义

近年来，逆变电源在电力、通信、航天等各个领域均得到了广泛推广和普遍应用。目前，使用最广泛的电源是工频50Hz的逆变电源，而市场上不同的产品往往需要不同规格的电源，中频逆变电源即为其中一种非常重要交流电源类型。

400Hz逆变电源与工频50Hz逆变电源相比，其频率是50Hz电源的8倍，即周期为50Hz电源的八分之一，它的基波频率及谐波频率均变高，故输出滤波环节的截止频率即可取得更高一些，这样的好处在于可减小滤波电感和电容，基波周期变小会引起变压器伏秒值减小，也将减小变压器的体积，则400Hz逆变电源系统的体积和重量将大大减小^[1]-[2]。

400Hz电源用作精密角度测量仪器的电源，是400Hz电源的一个重要的应用场合，例如给频率为400Hz的自整角机、旋转变压器供电。为了使自整角机、旋转变压器能可靠的工作，提高角度测量数据的精度，高性能的供电电源必不可缺少，因而对供电电源输出电压、频率的稳定性和可靠性有较高的要求^[2]。这两种传感器对电源的频率精度、幅值精度、电压畸变要求苛刻，使用精度达不到要求的电源将会降低角度测量传感器的测量精确度和准确度。同时，为了保护昂贵的角度测量仪器，要求设计电源具备完善的过电压、过电流保护功能，用作角度测量设备的电源对功率要求较低。另外随着小型化发展的需要，以及应用场所的限制，凸现了传统的电源有着体积大、过于笨重、不便于维修等缺点，所以需要设计一个性能优良、体积小、专用作精密角度测量仪器的供电电源具有很重要的意义。