基于單片機(jī)控制的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) - 全文

引言

　　逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)進(jìn)行電能變換的裝置。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)逆變電源的輸出電壓波形特性也隨之提出了越來(lái)越高的要求，因?yàn)殡娫吹妮敵霾ㄐ钨|(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)。

　　隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，以SPWM控制方式設(shè)計(jì)的逆變電源越來(lái)越受到青睞。本文介紹的SPWM逆變電源就是采用PIC單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM控制和正弦波方式輸出，而且電路簡(jiǎn)單，性能安全可靠，靈活性強(qiáng)，同時(shí)可以降低諧波，提高效率。

　　1 SPWM逆變器結(jié)構(gòu)

　　逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種形式，圖l所示是SPWM逆變電源的基本結(jié)構(gòu)，它主要由變壓器中心抽頭推挽式升壓電路、逆變電路、濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路組成?？刂齐娐分饕?a target="_blank">MCU控制器、升壓控制、電壓檢測(cè)和電流A／D檢測(cè)所示等電路組成。

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　　2 SPWM逆變電源工作原理

　　本逆變器電源的前級(jí)采用SG3525來(lái)交替輸出兩路PWM信號(hào)以控制開(kāi)關(guān)管，然后經(jīng)過(guò)高頻變壓器升壓整流和LC濾波后產(chǎn)生400 V電壓。再通過(guò)單片機(jī)編程產(chǎn)生等效正弦波的矩形脈沖波來(lái)控制逆變橋開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。從而使其工作在SPWM控制方式。圖2所示是其逆變電路的電原理圖。圖2中的左橋臂工作在高頻調(diào)制方式，即Q1和Q3按照SPWM開(kāi)通：右橋臂工作在高頻調(diào)制方式，即Q2和Q4按照SPWM開(kāi)通，最后經(jīng)過(guò)濾波得到正弦波。

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　　3 SPWM正弦波脈寬調(diào)制方法

　　SPWM正弦脈寬調(diào)制法是采用調(diào)制波為正弦波、載波為三角波的一種脈寬調(diào)制方法，可廣泛應(yīng)用于逆變器電源上。SPWM的輸出波形控制算法有面積等效法、自然采樣法、對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法、不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法等，本文采用脈寬調(diào)制波的面積等效法來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM控制。圖3所示是其SPWM波形圖，該方法將半個(gè)周期的正弦波波形分成N等分，從而把該正弦波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成，這些脈沖寬度相等(都等于π／N)，幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線(xiàn)，而是曲線(xiàn)，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果能把這種脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，并使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合。且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦部分的面積脈沖量相等，那么，就可以得到相應(yīng)的脈沖序列。這樣，再使各脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，同時(shí)使矩形波與正弦波等效，就可以實(shí)現(xiàn)SPWM正弦脈寬調(diào)制。

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　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　4．1 正弦波脈寬的生成

　　根據(jù)正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)的產(chǎn)生原理，若把U=Urmsintωt正弦波在半周期內(nèi)N等分，第i個(gè)等分段正弦波的面積為Si，則有：

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　　若再使矩形波的幅值等于輸入正弦波的幅值Urm，并使每段矩形波的面積等于對(duì)應(yīng)段的正弦波的面積，那么，便可以得到矩形波脈寬的值為：

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　　由于脈沖寬度是按照正弦波的規(guī)律變化，故可把這些脈沖寬度DK的值編制成數(shù)值表，再用單片機(jī)通過(guò)查表輸出脈沖序列。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可采用載波頻率fc=25 kHz，交流頻率fs=50 Hz，載波比N=fdfs來(lái)確定正弦波離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)，即一個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)(設(shè)N=500)。為了節(jié)省表的存儲(chǔ)空間，實(shí)際編程時(shí)，可保存半個(gè)周期內(nèi)的正弦波離散點(diǎn)，即保存N／2個(gè)點(diǎn)，然后用交替的方式輸出SPWM波形來(lái)控制逆變橋的工作。

4．2 SPWM的軟件實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)以PIC16FXX單片機(jī)為核心，晶振選用20 MHz，指令周期為0．2μs，SPWM波驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的工作頻率為25 kHz，那么，單片機(jī)中寄存器的初始化設(shè)置如下：

　　首先設(shè)置PORTC為輸出模式，即TRISC=0X00。設(shè)置CCP模塊為PWM功能。同時(shí)必須在CCPXCON寄存器中設(shè)置CCP模塊為PWM模式，即CCPxM3：CPxM0=11XX。

　　然后再通過(guò)PR2來(lái)確定PWM的開(kāi)關(guān)周期寄存器，并使TSFMW=(PR2+1)×4TOSC(TMR2 PrescaleValue)，fSPWM=1／TSPMW。因?yàn)楣ぷ黝l率f=25 kHz，故PR2=0XC7；且工作周期寄存器CCPRxL的值是可變的。

　　在程序初始化完成之后，系統(tǒng)中的定時(shí)寄存器TMR2將啟動(dòng)并開(kāi)始工作，此時(shí)，PWM單元的引腳輸出為高電平；當(dāng)TMR2>CCPRxl時(shí)，PWM單元的引腳開(kāi)始輸出低電平；當(dāng)TMR2=PR2時(shí)，TMR2被歸0，并重新開(kāi)始下一個(gè)周期計(jì)數(shù)，同時(shí)PWM單元重新輸出高電平。當(dāng)TMR2的中斷標(biāo)志位TMR2IF被置高電平時(shí)，系統(tǒng)將執(zhí)行定時(shí)中斷服務(wù)程序，圖4所示是其SPWM流程圖。中斷程序 完成查找正弦表值和A／D取樣值后，再進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，即可得出修正值，并將該修正值寫(xiě)入CCPRxL寄存器中。圖5所示是該SPWM逆變器電源的輸出波形圖。

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　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　試驗(yàn)表明，基于HC單片機(jī)控制的逆變器電源可滿(mǎn)足小功率逆變器的要求，而且可用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化SPWM波的控制。本方式不但比傳統(tǒng)的模擬控制方式具有一定的優(yōu)越性，而且該逆變器電源的效率更高、體積更小，同時(shí)還具有設(shè)計(jì)靈活、性能可靠，輸出穩(wěn)定，諧波小等優(yōu)點(diǎn)。

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