基于單片機控制的正弦波逆變電源設計 - 全文

引言

　　逆變電源是一種采用電力電子技術進行電能變換的裝置。隨著電力電子技術的發展，逆變電源的應用越來越廣泛，但應用系統對逆變電源的輸出電壓波形特性也隨之提出了越來越高的要求，因為電源的輸出波形質量直接關系到整個系統的安全和可靠性指標。

　　隨著數字信號處理技術的發展，以SPWM控制方式設計的逆變電源越來越受到青睞。本文介紹的SPWM逆變電源就是采用PIC單片機來實現SPWM控制和正弦波方式輸出，而且電路簡單，性能安全可靠，靈活性強，同時可以降低諧波，提高效率。

　　1 SPWM逆變器結構

　　逆變電源的拓撲結構有多種形式，圖l所示是SPWM逆變電源的基本結構，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、驅動電路和控制電路組成。控制電路主要包括MCU 控制器、升壓控制、電壓檢測和電流A／D檢測所示等電路組成。

　　2 SPWM逆變電源工作原理

　　本逆變器電源的前級采用SG3525來交替輸出兩路PWM信號以控制開關管，然后經過高頻變壓器升壓整流和LC濾波后產生400 V電壓。再通過單片機編程產生等效正弦波的矩形脈沖波來控制逆變橋開關管的導通和關斷。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制方式，即Q1和Q3按照SPWM開通：右橋臂工作在高頻調制方式，即Q2和Q4按照SPWM開通，最后經過濾波得到正弦波。

　　3 SPWM正弦波脈寬調制方法

　　SPWM正弦脈寬調制法是采用調制波為正弦波、載波為三角波的一種脈寬調制方法，可廣泛應用于逆變器電源上。SPWM的輸出波形控制算法有面積等效法、自然采樣法、對稱規則采樣法、不對稱規則采樣法等，本文采用脈寬調制波的面積等效法來實現SPWM控制。圖3所示是其SPWM波形圖，該方法將半個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，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規律變化。如果能把這種脈沖序列用同樣數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和相應正弦等分的中點重合。且使矩形脈沖和相應的正弦部分的面積脈沖量相等，那么，就可以得到相應的脈沖序列。這樣，再使各脈沖的寬度按正弦規律變化，同時使矩形波與正弦波等效，就可以實現SPWM正弦脈寬調制。

　　4 軟件設計

　　4．1 正弦波脈寬的生成

　　根據正弦波脈寬調制(SPWM)的產生原理，若把U=Urmsintωt正弦波在半周期內N等分，第i個等分段正弦波的面積為Si，則有：

　　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應段的正弦波的面積，那么，便可以得到矩形波脈寬的值為：

　　由于脈沖寬度是按照正弦波的規律變化，故可把這些脈沖寬度DK的值編制成數值表，再用單片機通過查表輸出脈沖序列。實驗時，可采用載波頻率fc=25 kHz，交流頻率fs=50 Hz，載波比N=fdfs來確定正弦波離散點的個數，即一個周期內的脈沖個數(設N=500)。為了節省表的存儲空間，實際編程時，可保存半個周期內的正弦波離散點，即保存N／2個點，然后用交替的方式輸出SPWM波形來控制逆變橋的工作。

4．2 SPWM的軟件實現

　　本系統以PIC16FXX單片機為核心，晶振選用20 MHz，指令周期為0．2μs，SPWM波驅動開關管的工作頻率為25 kHz，那么，單片機中寄存器的初始化設置如下：

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

　　然后再通過PR2來確定PWM的開關周期寄存器，并使TSFMW=(PR2+1)×4TOSC(TMR2 PrescaleValue)，fSPWM=1／TSPMW。因為工作頻率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，系統中的定時寄存器TMR2將啟動并開始工作，此時，PWM單元的引腳輸出為高電平；當TMR2>CCPRxl時，PWM單元的引腳開始輸出低電平；當TMR2=PR2時，TMR2被歸0，并重新開始下一個周期計數，同時PWM單元重新輸出高電平。當TMR2的中斷標志位TMR2IF被置高電平時，系統將執行定時中斷服務程序，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，再進行PI調節，即可得出修正值，并將該修正值寫入CCPRxL寄存器中。圖5所示是該SPWM逆變器電源的輸出波形圖。