高性能逆變電源的實現(xiàn)與分析

　　逆變電源是不間斷電源、靜止航空電源、新能源發(fā)電技術(shù)等許多設(shè)備的關(guān)鍵部件。許多場合都要求逆變器能輸出失真度小的正弦波，因而消除諧波是逆變電源的基本要求之一。筆者擬采用單片機作為控制器，脈沖信號產(chǎn)生采用消諧PWM法，詳細介紹其硬件、軟件實現(xiàn)過程。

　　消諧PWM控制

　　采用PWM控制技術(shù)的主要目的之一是為了解決逆變電源輸出的諧波問題，高頻PWM控制不僅可以有效地減小輸出電壓的諧波含量，而且可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。消諧控制的基本思想是：以PWM脈沖波形的切換點相位作為未知數(shù)，通過PWM脈沖的傅里葉級數(shù)分析，獲得輸出電壓的基波分量和各次諧波分量的表達式，然后根據(jù)基波和各次諧波幅值的要求建立一個與未知數(shù)個數(shù)相等的方程組，通過求解方程組，獲得各個脈沖的切換時刻，并按該時刻實施控制，則輸出電壓的基波和各次諧波幅值將會是期望值。一般情況下，總是令基波幅值為一個期望的非零值，而令各次諧波的大小為零，這樣經(jīng)過消諧PWM控制方程的逆變器將不含指定的低階諧波值。

　　假定逆變器輸出PWM波形在四分之一周期內(nèi)有N個開關(guān)切換點，每個開關(guān)切換點對應(yīng)的相位角分別為（ai=1，2，…，N），且有0≤a1

　　式（1）為雙極性調(diào)制且開關(guān)角個數(shù)N為奇數(shù)時的表達式，式（2）為雙極性調(diào)制且開關(guān)角個數(shù)N為偶數(shù)時的表達式，式（3）為單極性調(diào)制時的表達式。設(shè)逆變器輸出基波電壓幅值與輸入直流母線電壓比值為M，假定式（1）、式（2）對應(yīng)的PWM波形用于三相逆變器，式（3）對應(yīng)的PWM波形用于單相逆變器，則式（1）~（3）式可得出相對應(yīng)的消諧方程分別如（4）~（6）式所示。求解上述方程即可得到一組開關(guān)切換角，將此切換角轉(zhuǎn)化為單片機定時計數(shù)脈沖數(shù)據(jù)表保存在程序存儲器中，供實時控制時查詢。

　　控制系統(tǒng)

　　控制系統(tǒng)是按照給定信號的要求，控制并調(diào)節(jié)主電路開關(guān)管的開通與關(guān)斷，從而控制主電路產(chǎn)生期望的輸出電壓，并使輸出電壓盡可能地跟隨給定的電壓信號。圖1給出了逆變電源的硬件電路基本框圖。觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生采用數(shù)字電路的方法，完全可以用控制器的軟件程序來實現(xiàn)其功能，節(jié)約了成本，而且相比較于模擬電路，這種方法的抗干擾能力較強。

　　逆變電路控制系統(tǒng)以AVR單片機為核心，其功能主要是產(chǎn)生全橋逆變電路中開關(guān)管的驅(qū)動信號，同時通過實時采樣線路電壓和電流來實現(xiàn)逆變電源的調(diào)節(jié)和保護。對于直流母線側(cè)的輸入電壓信號，采用霍爾傳感器變壓后，電壓信號經(jīng)過由運算放大器組成的射級跟隨器，送到窗口比較器，窗口的上下兩閾值分別對應(yīng)過電壓和欠電壓限值，如果在窗口范圍內(nèi)則電壓正常，否則輸出過電壓或欠電壓故障信號；對于直流母線側(cè)的電流信號，采用采樣電阻對其進行測量，采樣電阻兩端電壓送運算放大器放大和抗干擾濾波處理后，與設(shè)定的過電流閾值比較，實現(xiàn)逆變器的輸出或內(nèi)部電路過電流的報警和處理。以上兩種保護信號經(jīng)過邏輯與處理，送到單片機的外部中斷請求輸入引腳，無論何種情況引起的故障信號，均可以向單片機提出中斷請求，單片機響應(yīng)中斷，通過封鎖所有開關(guān)管的驅(qū)動信號來實現(xiàn)保護，同時給出故障指示。

　　控制器采用8位AVR單片機。8位AVR MCU具備1MIPS / MHz的高速運行處理能力；超功能精簡指令集（RISC），具有32個通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用單一ACC進行處理造成的瓶頸現(xiàn)象；快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，大大優(yōu)化了目標(biāo)代碼的大小、執(zhí)行效率；作輸出時與PIC的 HI/LOW相同，可輸出40mA（單一輸出），作輸入時可設(shè)置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10~20mA灌電流的能力；片內(nèi)集成多種頻率的 RC振蕩器、上電自動復(fù)位、看門狗、啟動延時等功能，外圍電路更加簡單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠；片上資源豐富。將逆變器的期望輸出頻率給定值以編碼的方式輸入控制器，CPU根據(jù)讀入的頻率代碼確定應(yīng)選擇的消諧PWM控制數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)部定時控制，按此規(guī)定的PWM數(shù)據(jù)，從CPU的I/O端口輸出逆變橋開關(guān)管的驅(qū)動信號，控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，實現(xiàn)消諧控制。

　　系統(tǒng)軟件

　　逆變電源的控制軟件由主程序、定時器中斷服務(wù)程序、外部中斷服務(wù)程序三個部分組成。主程序用來初始化單片機的工作方式，從I/O口讀入逆變電源期望輸出頻率給定值的編碼，當(dāng)給定輸出頻率發(fā)生變化時，其編碼值會隨之變化，此時修改頻率變化標(biāo)志，并在定時器中斷服務(wù)程序按新的消諧PWM開關(guān)切換數(shù)據(jù)進行定時控制，實現(xiàn)驅(qū)動信號的切換。定時器中斷服務(wù)程序主要完成對開關(guān)切換數(shù)據(jù)的定時控制，輸出相應(yīng)的開關(guān)管驅(qū)動信號，實現(xiàn)消諧PWM控制。外部中斷服務(wù)程序主要實現(xiàn)逆變電源的故障保護功能，當(dāng)故障中斷請求發(fā)生時，單片機及時響應(yīng)中斷，在確認(rèn)有故障發(fā)生時，封鎖驅(qū)動信號，并輸出故障代碼。

　　結(jié)語

　　本設(shè)計較為詳細、全面地分析了逆變電源的單片機實現(xiàn)過程，在詳細分析了消諧PWM控制的基本原理的同時，給出了三相逆變電源主電路的結(jié)構(gòu)圖，同時給出了基于單片機的逆變電源硬件控制電路。