基于單片機(jī)與SPWM控制的應(yīng)急電源逆變電路設(shè)計(jì)

摘要：逆變器是應(yīng)急電源的重要組成部分。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)急電源中逆變器輸出交流電壓的適時(shí)調(diào)節(jié)，減小輸出電壓諧波達(dá)到逆變電路數(shù)字化控制目的，三相逆變電路采用了正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方法，以C8051F020單片機(jī)和SA4828為核心，完成對(duì)SPWM波的產(chǎn)生及系統(tǒng)的控制。利用單片機(jī)特有的端口連接完成外圍控制功能，這樣就減少了應(yīng)急電源對(duì)波形產(chǎn)生的處理時(shí)間，保證波形具有較高精度，而且電路硬件連接簡(jiǎn)單。
關(guān)鍵詞：應(yīng)急電源；逆變控制器；C8051F020；SPWM

0 引言
    隨著社會(huì)發(fā)展，越是信息化、現(xiàn)代化，就越依賴于電力，突然斷電會(huì)給人們正常的生活秩序和學(xué)習(xí)帶來(lái)影響，尤其對(duì)于生產(chǎn)、生活中特別重要的負(fù)荷，一旦中斷供電，將會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。應(yīng)急電源產(chǎn)品已成為很多重要場(chǎng)所必不可少的重要設(shè)備，也是能夠最有效地解決停電事故和電力質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題的有效途徑，而逆變電路是應(yīng)急電源的重要組成部分。逆變電路在應(yīng)急電源中的作用是當(dāng)市電斷電或發(fā)生異常時(shí)，將蓄電池提供的直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟娸敵?，以保證重要負(fù)荷或設(shè)備的正常運(yùn)行。目前，逆變電源大多采用正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)，其控制電路大多采用模擬方法實(shí)現(xiàn)。模擬控制技術(shù)雖然已經(jīng)非常成熟，但存在很多缺點(diǎn)如：控制電路的元器件多，電路復(fù)雜，體積較大，靈活性不夠等。本文設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字化的三相PWM逆變電源，利用專用SPWM波形發(fā)生器與單片機(jī)連接產(chǎn)生逆變驅(qū)動(dòng)信號(hào)SPWM波，設(shè)計(jì)中選用了單片機(jī)C8051F020控制和MITEL公司的SA4828芯片作為波形發(fā)生器。

1 逆變電路的結(jié)構(gòu)與工作原理
    圖1是逆變電路的構(gòu)成。由蓄電池提供的直流電通過(guò)三相逆變電路變?yōu)榻涣麟?，其基波頻率是逆變電源的輸出頻率，該交流信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出變壓器隔離，再由低通濾波器濾去諧波，獲得負(fù)載所需的三相正弦交流電。

    在逆變電路中，逆變器及其控制是逆變電路的核心。逆變器的控制采用SPWM控制方式，本文利用SPWM波發(fā)生器和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器及輸出電壓的控制。由控制器產(chǎn)生的SPWM波控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而控制輸出電壓及其波形，并使輸出電壓穩(wěn)定。

2 三相逆變器主電路設(shè)計(jì)
   三相逆變器主電路如圖2所示，是由三相逆變橋、變壓器、濾波器組成。

    逆變器開(kāi)關(guān)器件采用6單元IPM智能功率模塊。LCR低通濾波器中電感L的作用是抑制高次諧波通過(guò)；電容C為逆變器產(chǎn)生的高次諧波提供旁路；電阻R起阻尼作用，防止或抑制諧波的產(chǎn)生。在市電工作中斷或者不正常時(shí)，蓄電池電壓被加到直流總線上，通過(guò)由智能功率模塊組成的逆變器，然后通過(guò)由LCR組成的濾波器和三相功率變壓器，形成相電壓為220 V的三相正弦交流電給負(fù)載供電。三相逆變器的開(kāi)關(guān)器件采用日本富士公司型號(hào)為PM100CVA60六單元IPM智能功率模塊，其耐壓可達(dá)600 V，集電極最大允許電流100 A，安全工作區(qū)較寬，驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)頻率高、飽和壓降低。另外該模塊還具有帶過(guò)流控制、濾波器體積小、噪聲低、易散熱、可靠性高等特點(diǎn)。模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正弦脈寬調(diào)制(SPWM)信號(hào)。[!--empirenews.page--]
    功率元件智能功率模塊IGBT-IPM是以功率器件IGBT為主體，同時(shí)把驅(qū)動(dòng)電路、多種保護(hù)電路及報(bào)警電路等功能電路集成在同一模塊內(nèi)的新型混合集成電路。用智能功率模塊作為電源的功率器件，可以簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，縮小電源體積，更主要的是提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。在選用智能功率模塊IPM時(shí)，根據(jù)電壓和電流的定額選擇。功率元件的電流定額考慮(2～3)倍的安全裕量。計(jì)算電流時(shí)應(yīng)滿足在輸入電壓波動(dòng)為最低時(shí)仍能滿足輸出功率。根據(jù)給定的技術(shù)參數(shù)計(jì)算功率元件的最大輸出功率、額定電流值、額定電壓值，最終選用100 A／600 V的智能功率模塊，型號(hào)為PM100CVA60。

3 逆變控制器設(shè)計(jì)
    控制電路的功能主要是產(chǎn)生SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。SPWM是實(shí)現(xiàn)逆變器輸出交流電壓調(diào)節(jié)、減小輸出電壓諧波的一種控制方法。利用SPWM控制構(gòu)成的逆變器調(diào)節(jié)性能好，調(diào)節(jié)速度快，可使調(diào)節(jié)過(guò)程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動(dòng)態(tài)性能，輸出電壓波形接近正弦。為了實(shí)現(xiàn)此功能及逆變電路的數(shù)字化，本文利用單片機(jī)和專用SPWM波形發(fā)生器SA4828集成電路構(gòu)成逆變控制器。該種方法軟件編程簡(jiǎn)單，應(yīng)急電源對(duì)波形產(chǎn)生的處理時(shí)間少，并能保證波形具有較高精度，而且硬件連接簡(jiǎn)單。
3．1 三相SPWM波形發(fā)生器SA4828
3．1．1 SA4828的性能特點(diǎn)
    SA4828是英國(guó)MITEL公司研制出的一種專用于三相SPWM信號(hào)發(fā)生和控制的集成電路芯片。具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡(jiǎn)單、無(wú)溫漂等優(yōu)點(diǎn)，主要用于逆變電源、變頻調(diào)速及應(yīng)急電源等工業(yè)領(lǐng)域。芯片的主要特性是：具有增強(qiáng)型微處理器接口，可與更多單片機(jī)兼容；可以單獨(dú)調(diào)整各相輸出，可以用于任意不平衡負(fù)載；內(nèi)置“看門(mén)狗”定時(shí)器進(jìn)行監(jiān)控，程序運(yùn)行安全可靠；提供了軟復(fù)位控制功能；調(diào)制波頻率采用16位，增加了頻率的分辨率，提高了逆變器輸出頻率的精度；片內(nèi)ROM提供三種可供選擇的波形，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合，其中能提供的純正弦波可用于靜止逆變電源和單相交流調(diào)速。
3．1．2 SA4828的工作原理
    SA4828原理框圖如圖3所示。它接收并存儲(chǔ)微處理器初始化命令和控制命令，主要由總線控制、地址／數(shù)據(jù)總線、存儲(chǔ)器、控制寄存器組成，以控制字的形式實(shí)現(xiàn)。三相輸出控制電路的每相輸出控制電路由脈沖取消和脈沖延時(shí)電路構(gòu)成，脈沖取消將脈沖寬度小于取消時(shí)間的脈沖去掉，延時(shí)電路保證死區(qū)間隔，以防止在轉(zhuǎn)換瞬間橋路開(kāi)關(guān)器件出現(xiàn)直通現(xiàn)象。

    三種不同波形的選擇通過(guò)傳輸給初始化寄存器和控制寄存器的命令來(lái)設(shè)置三種波形ROM。“看門(mén)狗”電路在接受單片機(jī)發(fā)出的命令時(shí)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，總線控制會(huì)發(fā)出復(fù)位“看門(mén)狗”信號(hào)，使“看門(mén)狗”延時(shí)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)。SA4828增設(shè)了8個(gè)寄存器單元以提高頻率精度及能獨(dú)立控制三相波形幅值。系統(tǒng)進(jìn)行初始化時(shí)，微處理器通過(guò)SA4828內(nèi)部的總線控制和譯碼電路向其初始化寄存器中寫(xiě)數(shù)據(jù)，完成載波頻率、調(diào)制頻率的范圍、脈沖延遲時(shí)間及計(jì)數(shù)器復(fù)位的設(shè)置。在運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)地向控制寄存器中寫(xiě)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制波頻率、調(diào)制波幅值、正／反轉(zhuǎn)、過(guò)調(diào)制、輸出禁止等參數(shù)的刷新，使RPHT，RPHB，YPHT，YPHTB，BPHTB，BPHT6個(gè)引腳輸出的SPWM信號(hào)發(fā)生改變。
3．2 控制電路硬件設(shè)計(jì)
    以SA4828與單片機(jī)C8051F020為核心構(gòu)成的控制器電路設(shè)計(jì)如圖4所示。控制電路根據(jù)給定的參數(shù)輸出三相SPWM信號(hào)給智能功率模塊IP-M，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率晶體管的通斷控制。

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    C8051F020通過(guò)8位P0端口與SA4828的地址、數(shù)據(jù)管腳AD0～AD7相連，工作時(shí)，單片機(jī)首先對(duì)SA4828進(jìn)行初始化，定義載波頻率，電源頻率范圍、死區(qū)、最小脈沖取消時(shí)間等參數(shù)。然后向SA4828的控制寄存器傳送電源的頻率控制字和幅度控制字等參數(shù)。正常工作時(shí)，根據(jù)需要對(duì)SA4828的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋與實(shí)時(shí)控制，以及調(diào)壓控制。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能，采用平均值反饋PI調(diào)節(jié)。輸出電壓經(jīng)隔離送入C8051F020單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換口即P3．0口，轉(zhuǎn)換結(jié)果參與PI運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果即為SA4828幅度控制寄存器的控制字。從RPHT～BPHB的6個(gè)引腳輸出相應(yīng)頻率和電壓的SPWM控制信號(hào)，經(jīng)隔離電路后，分別控制智能功率模塊IPM的6個(gè)IGBT的導(dǎo)通與截止，最后在3個(gè)輸出端上產(chǎn)生對(duì)稱的三相SPWM電壓。SA4828作為單片機(jī)的外設(shè)，與單片機(jī)并聯(lián)，通過(guò)對(duì)單片機(jī)編程，只需將SPWM的初始化信息和控制信息寫(xiě)入SA4828的相關(guān)寄存器，即產(chǎn)生精確的全數(shù)字化的三相的SPWM波形。
3．3 控制電路軟件設(shè)計(jì)
    軟件是逆變器控制系統(tǒng)的核心，它決定逆變器的輸出特性。SA4828產(chǎn)生SPWM信號(hào)的程序流程如圖5所示。
    對(duì)SA4828芯片的控制是通過(guò)微處理器接口將相應(yīng)的參數(shù)送入芯片內(nèi)部的2個(gè)48位的寄存器R14，R15來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它們是初始化寄存器和控制寄存器。數(shù)據(jù)先被讀入一系列臨時(shí)寄存器R0～R5中，然后通過(guò)一條虛擬的寫(xiě)操作將數(shù)據(jù)傳送至相應(yīng)的R14，R15寄存器。單片機(jī)先將SA4828復(fù)位，向其傳送初始化參數(shù)和控制參數(shù)后，SA4828即可以輸出SPWM波，逆變器隨后處于工作狀態(tài)。同時(shí)單片機(jī)不斷查詢輸出狀態(tài)，以便隨時(shí)調(diào)整SPWM輸出特性。對(duì)SA4828芯片的控制是通過(guò)微處理器接口將相應(yīng)的參數(shù)送入芯片內(nèi)部的兩個(gè)48位初始化寄存器R14和控制寄存器R15來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)先被讀入臨時(shí)寄存器R0～R5中，然后通過(guò)一條虛擬的寫(xiě)操作將數(shù)據(jù)傳送至相應(yīng)的R14，R15寄存器。只要系統(tǒng)正常工作，看門(mén)狗定時(shí)器就不斷被更新，以防止其溢出而中斷SPWM輸出。

    逆變器控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖6所示。
    單片機(jī)在初始化程序中完成對(duì)單片機(jī)、SA4828以及其他可編程器件的初始化，接著對(duì)市電進(jìn)行檢測(cè)，如果市電不正常，則啟動(dòng)逆變器工作，通過(guò)控制將開(kāi)關(guān)元件切換至逆變器輸出。并將輸入狀態(tài)存入控制寄存器，顯示數(shù)據(jù)，如果輸出電壓或保護(hù)等發(fā)生改變，則報(bào)警輸出以采取措施使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)
    逆變主電路采用的智能功率模塊不僅使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且使得出現(xiàn)的浪涌電壓、門(mén)極振蕩、噪聲引起的干擾等問(wèn)題能有效得到控制。三相逆變電路SPWM控制方法，利用專用SPWM產(chǎn)生器和單片機(jī)構(gòu)成逆變器的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制電路使用器件少，因而可降低成本、提高可靠性。