摘 要

机车由于其空间相对封闭，有限空间内又有较多的乘客，大多需要安装空调，在电力机车上安装空调由来已久。随着经济水平的提高和科技的进步，人民群众生活水平提升，对生活质量的要求也越来越高，乘坐机车时也有了对空调的需求。逆变电源作为电力机车上空调的必需部件，其性能也在逐渐提高，研究使用性能较高的STM32芯片的逆变电源，具有一定的现实价值与意义。

本文在深入学习逆变电源技术原理与SPWM控制理论的基础上，基于多数机车不稳定的运行状态，按照输入电源为DC110V（ 11V，-33V）电源，要求输出电压为AC380V（ 60V，-90V）的额定功率5kVA而设计了空调用逆变电源。

本文在分析设计指标之后，根据常见的逆变电路的电路拓扑、控制策略和原理的优缺点，选择前级为直流升压电路，后级为三相逆变电路作为本文的主电路拓扑。

本文在升压电路、逆变电路均选用了集成了IGBT的智能功率模块（IPM）作为开关模块，它由具有高开关频率、低功耗的管芯，集成了优化的栅极驱​​动电路，还有自带的快速保护电路。在控制策略上，本文选择了基于STM32的PWM脉宽调制以及进一步的SPWM正弦脉宽调制作为斩波和逆变电路的控制方式。

另外，本文针对所用的IPM智能模块以及Boost升压电路、三相桥式逆变电路设计了其缓冲电路、驱动电路、软启动电路等辅助电路；同时根据控制芯片STM32设计了相应的显示屏。

最后，本文设计完成了以STM32为控制系统的硬件电路设计，并完成相关理论计算。通过在MATLAB上进行仿真实验，证明了该电路设计合理，能满足设计指标中的各项要求。

关键词：逆变电源；正弦脉宽调制；STM32；三相全桥逆变

Abstract

Due to its relatively closed space, there are more passengers in the limited space, most of which need to install air conditioners, and the installation of air conditioners on electric locomotives has a long history. With the progress of technology and the rise of the standard of public life, the demand for air conditioning is getting higher and higher. As the necessary component of the air conditioning on the electric locomotive, the performance of the inverter is increasing gradually. It is of certain value and significance to study the invert power of the STM32 chip with high performance.

Based on the deep study of the principle of inverter power technology and the theory of SPWM control, based on the unstable running state of most locomotives, the input power is DC110V ( 11V, -33V) power, and the output voltage is AC380V ( 60V, -90V) rated power 5kVA, and an empty call inverter is designed. In this paper, after the analysis of the design index, according to the advantages and disadvantages of the circuit topology, control strategy and principle of the common inverter circuit, the forward step boost circuit is selected and the post stage inverter circuit is used as the circuit topology of this paper.

In this paper, the intelligent power module (IPM) integrated with IGBT is used as a switch module in both the boost circuit and the inverter circuit. It is composed of the high speed and low power core, the optimized gate drive circuit and the fast protection circuit. On the control strategy, this paper chooses PWM pulse width modulation based on STM32 and further SPWM sinusoidal pulse width modulation as the control mode of rectifier and inverter circuit. In addition, this paper designs the auxiliary circuits such as the buffer circuit, driving circuit and soft start circuit for the IPM intelligent module, the Boost boost circuit and the three-phase inverter circuit, and designs the corresponding display screen according to the control chip STM32.

Finally, the hardware circuit design of the STM32 control system is designed and completed, and the relevant theoretical calculation is completed. The simulation experiment on MATLAB proves that the design of the circuit is reasonable and can meet all the requirements of the design index.

Key words： Inverter power supply；SPWM；STM32；Three phase full bridge inverter

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景意义 1

1.2逆变技术发展现状 1

1.2.1国内发展现状 1

1.2.2国外发展现状 2

1.3论文主要内容及安排 2

第2章 系统设计方案 3

2.1系统设计指标 3

2.2主电路设计方案 3

2.2.1直流升压方案 4

2.2.2直-交三相逆变方案 5

2.3逆变系统控制方式 6

第3章 升压电路设计 7

3.1Boost升压电路参数计算 7

3.1.1功率管的选择 7

3.1.2二极管参数计算与选型 7

3.1.3电感参数计算与选型 8

3.1.4滤波电容参数计算与选型 8

3.2控制电路设计 8

3.2.1TL494脉宽调制电路 8

3.2.2基于TL494的PWM波形产生 9

第4章 逆变电路设计 10

4.1三相全桥逆变电路 10

4.2STM32系列处理器 10

4.3基于STM32的SPWM控制 11

4.4电平转换电路 13

第5章 辅助电路及功能 14

5.1IPM智能模块 14

5.2采样、反馈、显示电路 14

5.2.1A/D与D/A模块 14

5.2.2反馈调节电路 15

5.2.3显示电路 16

5.3缓冲电路 17

5.4软启动电路 18

5.5保护电路 19

5.5.1过电流保护 19

5.5.2过压、欠压保护电路 20

第6章 仿真结果 21

6.1逆变系统输出仿真 21

第7章 结论与展望 23

致谢 24

参考文献 25

第1章 绪论

1.1课题研究背景意义

列车早在18世纪20年代就已经诞生，但是空调系统真正应用到列车上则是到了20世纪20年代之后才开始，由列车提供电源给空调系统的机车空调出现更晚。由于技术条件与经济条件的限制，最初的蒸汽机车没办法给机车的车厢内安装空调，但随后内燃机的出现和再后列车电气化的实现，使得安装空调成为可能，乘客的旅行条件得以改善。

列车运行的客观条件是车身振动大，驾驶室与车厢的温度相对较高，进而导致输入直流变化范围大、空调功率要求高。而且机车的运行环境也有很大的不同。正因为如此，列车用空调有更高的要求，普通空调无法取代它。本次设计的主要任务是设计一个三相逆变器电源，为列车用空调提供可靠稳定的电压，以确保空调的稳定安全运行，并满足机载空调的功率，电流和电压的要求，有效的控制驾驶室与车厢的环境温度。

逆变技术的发展在历史上经历了两个主要发展阶段：

上世纪80年代为传统发展时期。这段时间由于技术的限制，逆变器的开关频率无法提高，不能达到所要求的开关频率。因此逆变结果不佳，对于波形的改善主要是基于多次叠加。重量和体积大，变频器频率低，正弦脉宽调制逆变器在此时才刚刚开始应用。

上世纪80年代到现在为新科技时期。这个时期的特点是，基于经济与科技水平的提高，开关器件所能承受的开关频率大幅上升，逆变器的开关频率也较高，脉宽调制技术成为主要的波形信号产生技术，逆变器体积变小、重量减轻，但是逆变效率得到了大幅提高，正弦脉宽调制广泛应用。

1.2逆变技术发展现状

1.2.1国内发展现状

逆变器电源的主要功能是能量转换。逆变电源广泛应用于航空，导航，电力，铁路运输，信号通讯等诸多领域。虽然我国进入逆变器研发制造的时间比较晚，但凭借着国内研发人员的努力，目前中国对逆变器的研究水平比较好，国内所使用的逆变电源效率、输出质量水平与国外基本上没有差距，主要产品在中、低端逆变电源，以及大部分的高质量逆变器均有涉及。但由于芯片技术的限制，控制逆变器所用的芯片如单片机和DSP等的研制水平有待于提高。

1.2.2国外发展现状

在市场的其他领域，逆变电源已被广泛使用，如德国西门子公司推出了此类产品，美国，日本等国家也推出了逆变器电源产品。现在逆变电源的最大功率和输出电压的稳定性已成为人们研究的热点问题。一些小功率逆变电源的开发引起了越来越多的关注。所使用的控制电路主要基于数字电路控制系统的安全性，可靠性和可扩展性。正如前文所说，国外对逆变器的控制器的研究制造水平较高，值得我们学习借鉴^[1]。

1.3论文主要内容及安排

本文要完成的工作有：

第一，空调用三相逆变电源的设计，首先在比较不同逆变主电路方案的基础上，确定主电路拓扑，确定升压电路和逆变电路的类型和其所使用的开关器件，根据所学计算Boost升压斩波电路的开关管、电感、电容的参数。

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