基于ATmega8 單片機控制的正弦波逆變電源

0 引言

在風電行業(yè)中，經(jīng)常需要在野外對風機進行維修，這時必須為各類維修工具和儀器進行供電.因此，設(shè)計一種便攜式.低功耗.智能化的正弦逆變電源來為這些設(shè)備供電是十分必要的，可大大提高維修風機的效率.

本文正是基于這種情況下而設(shè)計的一種基于單片機的智能化正弦逆變電源.

1 正弦逆變電源的設(shè)計方案

本文所設(shè)計的逆變器是一種能夠?qū)C 12 V直流電轉(zhuǎn)換成220 V 正弦交流電壓，并可以提供給一般電器使用的便攜式電源轉(zhuǎn)換器.目前，低壓小功率逆變電源已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)和民用領(lǐng)域.特別是在交通運輸.野外測控作業(yè).機電工程修理等無法直接使用市電之處，低壓小功率逆變電源便成為必備的工具之一，它只需要具有一塊功率足夠的電池與它連接，便能產(chǎn)生一般電器所需要的交流電壓.由于低壓小功率逆變電源所處的工作環(huán)境，都是在荒郊野外或環(huán)境惡劣.干擾多的地方，所以對它的設(shè)計要求就相對很高，因此它必須具備體積小.重量輕.成本低.可靠性高.抗干擾強.電氣性能好等特點.

針對這些特點和要求，研究一種簡單實用的正弦波逆變電源，以低價實惠而又簡單的元器件組成電路來滿足實際要求，定會受到市場的普遍歡迎.當前，設(shè)計低功率逆變電源有多種方案，早期的設(shè)計方案是直接將直流電壓用雙開關(guān)管進行控制，在50 Hz方波的作用下，產(chǎn)生220 V的方波逆變電壓.

但隨著用電設(shè)備對逆變電源性能的要求不斷的提高，方波逆變電源在多數(shù)場合已被淘汰，而正弦波逆變器的應用已成為必然趨勢.現(xiàn)在，市場上低功率正弦波逆變電源的主要設(shè)計方案有3種.

1.1 一次逆變的正弦波逆變電源

該方案也是將要逆變的直流電壓直接加到雙開關(guān)管上，然后采用數(shù)十倍于50 Hz的正弦化脈沖寬度調(diào)制脈沖串對開關(guān)管直接進行驅(qū)動，之后對輸出的電壓實行“平滑”處理，進而獲得類似于正弦波的連續(xù)變化的波形，這種方法的優(yōu)點是電路一次逆變，高效而簡單.但變壓器過于笨重，沒辦法滿足體積小，重量輕的要求.

1.2 多重逆變的正弦波逆變電源該方案是將驅(qū)動開關(guān)管的50 Hz信號，分成若干相位不同而頻率相同的驅(qū)動信號，分別驅(qū)動各自的開關(guān)管，使得各自的輸出電壓也錯開一定的相位，然后再進行疊加處理，輸出多階梯的階梯波再進行濾波就能輸出所需的正弦波電壓.此種方案電路較為復雜，一旦有一組開關(guān)管失效，輸出的波形就有很大的失真.

1.3 二次逆變的正弦波逆變電源隨著高頻開關(guān)管技術(shù)的日趨成熟，逆變電源的電路設(shè)計趨向于先變壓，后變頻，即先將直流電壓轉(zhuǎn)為高頻交流電，再將高頻交流電轉(zhuǎn)換為50 Hz 的正弦交流電源，其原理框圖如圖1所示.

由于開關(guān)管的價格低廉，因此組成圖1的單元電路性價比高，當前市場上以此種設(shè)計方案來生產(chǎn)低功率逆變電源的居多.

2 基于單片機控制的正弦波逆變電源在以上列舉的三種逆變電源設(shè)計方案當中，以二次逆變的正弦波逆變電源為佳.按照這種思路，早期的具體電路解決方案多采用PWM 控制芯片如TL494,SG3524,SG3525A 等，以固定的頻率去控制DC?DC 和DC?AC部分的開關(guān)管，并采用修正電路對輸出的波形進行修正，以期達到正弦波的要求.但這種純PWM芯片控制的電路，對于元件的老化.發(fā)熱.受到干擾等情況無法自動加以修正，或者修正能力差，往往使得在實際的應用當中經(jīng)常出現(xiàn)電路故障.隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計人員不斷想將單片機引入到正弦逆變電源的控制當中，但對于高頻部分的控制，低成本的單片機完成不了這個功能，高成本的單片機又會降低性價比，故本文提出了另外一種設(shè)計方案，就是采用低廉的ATmega8單片機，配合TL494,IR2110和開關(guān)管，構(gòu)成一個體積小，成本低，控制能力強的正弦波逆變電源，其方框圖如圖2所示.

由圖2可見，整個系統(tǒng)主要由ATmega8單片機進行控制，TL494和IR2110是否工作，全由單片機根據(jù)反饋信號作出調(diào)整.高頻開關(guān)管及驅(qū)動輸出部分采用單相全橋逆變電路構(gòu)成.具體工作原理是采用ATmega8單片機作為系統(tǒng)控制的核心，利用TL494 能產(chǎn)生高頻PWM 信號的功能，通過單片機對其脈沖寬度進行控制并輸出，以控制高頻開關(guān)管組成的全相逆變電路，將低直流電壓逆變成為高壓方波，并通過整流濾波之后，送到驅(qū)動輸出全橋逆變電路，由單片機控制IR2110 輸出工頻驅(qū)動信號，控制輸出驅(qū)動電路輸出50 Hz,220 V的正弦交流電壓.

3 主要電路的具體設(shè)計

整個逆變系統(tǒng)的核心主要由單片機控制電路與檢測電路.DC/DC變換電路.DC/AC輸出電路組成.

3.1 DC/DC變換電路

如圖3 所示，由TL494 組成了高頻脈沖輸出電路，該電路采用了性能優(yōu)良的脈寬調(diào)制控制器TL494集成塊.該集成塊內(nèi)含+5 V基準電源.誤差放大器，頻率可變鋸齒波振蕩器.PWM比較器.觸發(fā)器.輸出控制電路.輸出晶體管及死區(qū)時間控制電路等.該集成塊的第5?6 腳分別外接了C1 和R6 組成了RC 振蕩電路，可促使TL494輸出頻率為100?引腳對圖中的DCDC 端進行控制.通過控制第4腳的死區(qū)時間控制端，可調(diào)節(jié)輸出信號的占空比在0~49%之間變化，從而控制輸出端Q1PWM?Q2PWM的輸出，而P端.VCC端和VFB端則分別接收來自負載，高頻逆變輸出電壓.輸入電壓的反饋信號，與TL494 內(nèi)部的電路組成過壓.過載保護電路，形成逆變器的第一級安全保護網(wǎng).

如圖4 所示為高頻電壓逆變電路，由4 只IRF3205管構(gòu)成全橋逆變電路，IRF3205采用先進的工藝技術(shù)制造，具有極低的導通阻抗，加上具有快速的轉(zhuǎn)換速率和以堅固耐用著稱的HEXFET設(shè)計，使得IRF3205成為極其高效可靠的逆變管.從輸入端Q1PWM,Q2PWM輸入的高頻脈沖串控制這4個管兩兩導通，對VIN輸入的直流低壓進行斬波，然后經(jīng)升壓變壓器后，逆變成高頻交流方波，此時流通的電流為磁化電流，所以選取Philips公司生產(chǎn)的BYV26C 超快軟恢復二極管組成了全橋整流電路，該管子重復峰值電壓為600 V,正向?qū)娏鳛? A,其反向恢復時間30 ns,可以滿足電路的參數(shù)需求，整流后的電壓經(jīng)濾波電路后輸出直流電壓260 V,送往DC/AC 逆變電路，另外260 VDC 經(jīng)降壓處理后作為作為反饋信號輸入圖3中的VFB端，作為高頻逆變電壓的反饋信號.

3.2 DC/AC輸出電路的設(shè)計

DC/AC變換輸出電路采用全橋逆變單相輸出，其驅(qū)動輸入波形則由單片機輸出信號驅(qū)動半橋驅(qū)動器IR2110 輸出工頻驅(qū)動信號，通過單片機編程可調(diào)節(jié)該輸出驅(qū)動波形的D<50%,保證逆變的驅(qū)動方波有共同的死區(qū)時間.如圖5 所示，QA1~QA4 端分別接到單片機的PB1~PB4 引腳，由此引腳輸出信號驅(qū)動兩片IR2110,分別從PWM1~PWM4輸出50 Hz的工頻信號去驅(qū)動橋式逆變電路產(chǎn)生正弦波形.

IR2110 是IR 公司生產(chǎn)的大功率MOSFET 和IGBT專用驅(qū)動集成電路，可以實現(xiàn)對MOSFET 和IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動，同時還具有快速完整的保護功能，因此它可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，減少電路的復雜程度.如圖6所示，HIN 和LIN 為逆變橋中同一橋臂上下兩個功率MOS的驅(qū)動脈沖信號輸入端.SD 為保護信號輸入端，當該腳接高電平時，IR2110的輸出信號全被封鎖，其對應的輸出端恒為低電平;而當該腳接低電平時，IR2110的輸出信號跟隨HIN和LIN而變化，因此，在本系統(tǒng)中，兩片IR2110芯片的SD端共同接到單片機的PB0引腳，用于實時控制IR2110 是否處于保護狀態(tài).IR2110 的VB 和VS 之間的自舉電容較難選擇，因此直接提供了15 V恒壓，使其能正常工作.

逆變正弦電壓輸出電路有兩種調(diào)制方式，一種為單極性調(diào)制方式，其特點是在一個開關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開關(guān)頻率互補開關(guān)，保證可以得到理想的正弦輸出電壓，另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開關(guān)損耗，但又不是固定其中一個橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個橋臂始終為高頻(載波頻率)，而是每半個輸出電壓周期切換工作，即同一個橋臂在前半個周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對于選用同樣的功率管時，使其使用壽命均衡，對增加可靠性有利.另一種為雙極性調(diào)制方式，其特點是4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，雖然能得到正弦輸出電壓波形，但其代價是產(chǎn)生了較大的開關(guān)損耗.如圖6所示，本文的逆變輸出電路采用了單極性調(diào)制方式，這樣可以提高波形的平滑度，增加電路的可靠性.圖6 中的PWM1~PWM2 分別接收來自圖5 的輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動由4個具有500 V耐壓值的IRF840開關(guān)管組成的橋式逆變電路，將260 VDC 逆變成220 V,50 Hz的交流電，經(jīng)LC 濾波后供給負載.圖6中的IFB端和ACV端，分別和為電流和電壓的采樣，送到單片機的PC4和PC5引腳進行A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機將轉(zhuǎn)換果用于功率計算和電路保護之用.

3.3 單片機電路及編程

本文采用的是Atmel 公司生產(chǎn)的ATmega8 單片機來進行控制的，它的工作電壓范圍寬，抗干擾能力強，具有預取指令功能.這使得其理速度快，引腳輸出電流大，驅(qū)動能力強，輸出的脈沖信號無需放大可直接驅(qū)動步進電機驅(qū)動模塊，端口全內(nèi)置上拉電阻，均可作為輸入或輸出，具體情況通過編程靈活配置，基于以上優(yōu)點，選擇ATmega8L單片機作為控制器，不僅可提高系統(tǒng)整體性能，也可簡化外圍電路.

本文主要將它應用于整個系統(tǒng)的信號驅(qū)動，溫度檢測，風扇控制，安全保護，數(shù)據(jù)顯示等.ATmega8單片機分別采集來自系統(tǒng)電路的溫度.電流.電壓，并根據(jù)這三個參數(shù)的情況分別控制啟動風扇散熱，控制是否輸出報警信號，控制SD 端和DCDC 端是否使系統(tǒng)處于保護狀態(tài)，QA1~QA4則是輸出50 Hz的驅(qū)動信號，具體的編程控制如圖7所示.當系統(tǒng)啟動后，單片機先檢查系統(tǒng)的溫度環(huán)境是否正常，不正常則啟動報警，并提示出錯代碼，如果正常則啟動高頻逆變電路工作，并檢測260 VDC是否正常，不正常則報警，正常則啟動正弦逆變電路工作，并一直檢測輸出的電壓電流是否正常，正常則輸出，不正常則報警.

4 結(jié)語

綜上所述，基于ATmega8單片機控制的正弦波逆變電源的整體設(shè)計方案，可高效.便捷的為野外作業(yè)提供所需的交流電源，該電路目前已實驗成功并投入到實際的使用當中.實踐證明，本文設(shè)計出來的逆變電源具有體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠的性能.