基于單片機(jī)的正弦波輸出逆變電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

 低壓小功率逆變電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。特別是新能源的開(kāi)發(fā)利用，例如太陽(yáng)能電池的普遍使用，需要一個(gè)逆變系統(tǒng)將太陽(yáng)能電池輸出的直流電壓變換為220V、50Hz交流電壓，以便于使用。本文給出了一種用單片機(jī)控制的正弦波輸出逆變電源的設(shè)計(jì)，它以12V直流電源作為輸入，輸出220V、50Hz、0~150W的正弦波交流電，以滿足大部分常規(guī)小電器的供電需求。該電源采用推挽升壓和全橋逆變兩級(jí)變換，前后級(jí)之間完全隔離。在控制電路上，前級(jí)推挽升壓電路采用SG3525芯片控制，采樣變壓器繞組電壓做閉環(huán)反饋;逆變部分采用單片機(jī)數(shù)字化SPWM控制方式，采樣直流母線電壓做電壓前饋控制，同時(shí)采樣電流做反饋控制;在保護(hù)上，具有輸入過(guò)、欠壓保護(hù)，輸出過(guò)載、短路保護(hù)，過(guò)熱保護(hù)等多重保護(hù)功能電路，增強(qiáng)了該電源的可靠性和安全性。 　　

該電源可以在輸人電壓從10.5V到15V變化范圍內(nèi)，輸出220V±10V的正弦波交流電壓，頻率50Hz±O.5Hz，直流分量 　　

l 主電路 　　逆變電源主電路采用推挽升壓和全橋逆變兩級(jí)變換，如圖1所示。

輸入電壓一端接在變壓器原邊的中間抽頭，另一端接在開(kāi)關(guān)管S1及S2的中點(diǎn)?？刂芐1及S2輪流導(dǎo)通，在變壓器原邊形成高頻的交流電壓，經(jīng)過(guò)變壓器升壓、整流和濾波在電容C1上得到約370 V直流電壓。對(duì)S3～S6組成的逆變橋采用正弦脈寬調(diào)制，逆變輸出電壓經(jīng)過(guò)電感L、電容C2濾波后，最終在負(fù)載上得到220 V、50 Hz的正弦波交流電。采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)前后級(jí)之間的隔離，有利于提高系統(tǒng)的安全性。 　　

輸入電壓10.5～15 V，輸入最大電流15 A，考慮一倍的余量，推挽電路開(kāi)關(guān)管S1及S2耐壓不小于30 V，正向電流不小于30 A，選用IRFZ48N。 　　

升壓高頻變壓器的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足在輸入電壓最低時(shí)，副邊電壓經(jīng)整流后不小于逆變部分所需要的最低電壓350 V，同時(shí)輸入電壓最高時(shí)，副邊電壓不能過(guò)高，以免損壞元器件。同時(shí)也必須考慮繞線上的電壓降和發(fā)熱問(wèn)題。選EE型鐵氧體磁芯，原副邊繞組為7匝：300匝。關(guān)于高頻變壓器的設(shè)計(jì)可以參考文獻(xiàn)。 　　

變壓器副邊輸出整流橋由4個(gè)HER307組成.濾波電容選用68μF、450 V電解電容。 　　

根據(jù)輸出功率的要求，輸出電流有效值為0 6～O.7 A，考慮一定的電壓和電流余量，逆變橋中的S3～S6選用IRF840。逆變部分采用單極性SPWM控制方式，開(kāi)關(guān)頻率fs=16 kHz。 　　

假?zèng)]濾波器時(shí)間常數(shù)為開(kāi)關(guān)周期的16倍，即諧振頻率取1 kHz，則有

濾波電感電容LC≈2.5×10-3，可選取L=5 mH，C=4.7μF。濾波電感L選用內(nèi)徑20 mm，外徑40 mm的環(huán)形鐵粉芯磁芯，繞線采用直徑O.4 mm的漆包線2股并繞，匝數(shù)180匝。 　　

2 數(shù)字化SPWM控制方法 　　

該逆變電源的控制電路也分為兩部分。前級(jí)推挽升壓電路由PWM專用芯片SG3525控制，采樣變壓器繞組電壓實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)反饋控制。后級(jí)逆變電路由單片機(jī)PICl6C73控制，采樣母線電壓實(shí)現(xiàn)電壓前饋控制。前級(jí)控制方法比較簡(jiǎn)單，在這里主要介紹后級(jí)單片機(jī)的數(shù)字化SPWM控制方式。 　　

2.l 正弦脈寬調(diào)制SPWM 　　

正弦脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)具有線性調(diào)壓、抑制諧波等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的脈寬調(diào)制技術(shù).一般用三角波μc作為載波信號(hào)，正弦波ug=UgmSin2πfgt作為調(diào)制信號(hào)，根據(jù)μ和μg的交點(diǎn)得到一系列脈寬按正弦規(guī)律變化的脈沖信號(hào)。則可以定義調(diào)制比m=Ugm/Ucm，頻率比K=fc/fa=Tg/Tco。 　　

正弦脈寬調(diào)制可以分為單極性SPWM和雙極性SPWM。雙極性SPWM的載波為正負(fù)半周都有的對(duì)稱三角波，輸出電壓為正負(fù)交替的方波序列而沒(méi)有零電平，因此可以應(yīng)用于半橋和全橋電路。實(shí)際中應(yīng)選擇頻率比K為奇數(shù)，使得輸出電壓μo具有奇函數(shù)對(duì)稱和半波對(duì)稱的性質(zhì)，μc無(wú)偶次諧波。但是輸出電壓μc中含有比較嚴(yán)重的n=K次中心諧波以及n=jk±6次邊頻諧波。其控制信號(hào)為相位互補(bǔ)的兩列脈沖信號(hào)。 　　

單極性SPWM的載波為單極性的不對(duì)稱三角波，輸出電壓也是單極性的方波。因?yàn)檩敵鲭妷褐邪汶娖?，因此，單極性SPWM只能應(yīng)用于全橋逆變電路。由于其載波本身就具有奇函數(shù)對(duì)稱和半波對(duì)稱特性，無(wú)論頻率比K取奇數(shù)還是偶數(shù)輸出電壓Uo都沒(méi)有偶次諧波。輸出電壓的單極性特性使得uo不含有n=k次中心諧波和邊頻諧波，但卻有少量的低頻諧波分量。單極性SPWM的控制信號(hào)為一組高頻(載波頻率fe)脈沖和一組低頻(調(diào)制頻率fk)脈沖，每組的兩列脈沖相位互補(bǔ)。由三角載波和正弦調(diào)制波的幾何關(guān)系可以得到，在k>l時(shí)，高頻脈沖的占空比D為

2.2 PIC單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn) 　　

PICl6C73是Microchip公司的一款中檔單片機(jī)，它功能強(qiáng)大而又價(jià)格低廉。PICl6C73內(nèi)部有兩個(gè)CCP(Capture、Compare、PWM)模塊，當(dāng)它工作在PwM模式下，CCP x引腳就可以輸出占空比10位分辨率可調(diào)的方波，圖2為其工作原理圖。

TMR2在計(jì)數(shù)過(guò)程中將同步進(jìn)行兩次比較：TMR2和CCPRxH比較一致將使CCPX引腳輸出低電平;TMR2和PR2比較一致將使CCPx引腳輸出高電平，同時(shí)將TMR2清O，并讀入下一個(gè)CCPRxH值，如圖3所示。因此，設(shè)定CCPRxH值就可以設(shè)定占空比，設(shè)定PR2值就可以設(shè)定脈沖周期。脈沖占空比D可以表示為

在本設(shè)計(jì)中，全橋逆變器采用單極性SPWM調(diào)制方式。CCP1模塊用來(lái)產(chǎn)生高頻脈沖，CCP2模塊用來(lái)產(chǎn)牛低頻脈沖。選擇16M晶振，根據(jù)脈沖周期Tc=[(PR2)+l]×4×4*Tosc和頻率比k=Tg/Tc，可以取PR2=249，k=320，則有Tg=20 ms，高頻脈沖序列每一一個(gè)周期中包含：320個(gè)脈沖。設(shè)調(diào)制比m=0.92，將，t=TgN/320代入式(2)，聯(lián)立式(3)可以得到產(chǎn)生高頻脈沖所需要的CCP1H的取值，第0～79個(gè)脈沖為 　　

CCP1H=230sin(πN/160)                            (4) 　　

式中：N為O→79。 　　

考慮到正弦波的對(duì)稱性，可以得到第80～159個(gè)脈沖為 　　

CCP1H=230sin[π×(80—N)/160]               (5) 　　

根據(jù)脈沖的互補(bǔ)性，可以得到第160～239個(gè)脈沖為 　　

CCP1H=250—230sin(πN/160)                 (6) 　　

第240～319個(gè)脈沖為 　　

CCP1H=250—230Sin[π×(80一N)/160]    (7)

因此，在程序中存儲(chǔ)表格230sin(πN/160)，N∈[0，79]就可以得到整個(gè)周期320個(gè)高頻脈沖的CCP.H值。第O～79點(diǎn)，CCP1H為正向查表取值;第80～159點(diǎn)，CCP1H為反向查表取值;第160～239點(diǎn)CCP1H為計(jì)數(shù)周期減去正向查表值;第240~319點(diǎn)CCP1H為計(jì)數(shù)周期減去反向查表值。 　　

對(duì)于低頻脈沖，前半個(gè)周期可以看成由占空比始終為1的高頻脈沖組成，后半個(gè)周期看成由占空比始終為0的高頻脈沖組成，因此，第O～159個(gè)脈沖，CCP2H=250，第160～319個(gè)脈沖，CCP2H=O。 　　

圖4為單片機(jī)_TMR2中斷程序的流程圖，在中斷程序中查表修改CCPxL的值.就可以改變下一個(gè)脈沖的CCPxH值，從而修改下一個(gè)脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)SPWM控制。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 　　

實(shí)驗(yàn)中，輸入電壓變化范圍為10.5~15 V，輸出濾波電感5.3mH，濾波電容8μF，從空載到150W負(fù)載狀態(tài)下都可以輸出(220±10V)、50Hz的正弦波交流電壓，如表1和表2所示。圖5和圖6分別為空載和150W純阻性負(fù)載條件下輸出電壓電流波形。可以看出輸出電壓和電流波形良好，經(jīng)測(cè)量電壓波形的THD為3.6%。

4 結(jié)語(yǔ) 　　

本文詳細(xì)分析了一種正弦波輸出的逆變電源的設(shè)計(jì)，以及基于單片機(jī)的數(shù)字化SPWM控制的實(shí)現(xiàn)方法。數(shù)字化SPWM控制靈活，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制的核心部分在軟件中，有利于保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)