使用Arduino制作一個(gè)簡(jiǎn)單的純正弦波逆變器

　　在無(wú)法從電網(wǎng)獲得交流電源的情況下，通常需要逆變器電路。逆變器電路用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，可分為純正弦波逆變器和改進(jìn)方波逆變器兩種類(lèi)型。這些純正弦波逆變器非常昂貴，而改進(jìn)的方波逆變器價(jià)格低廉。在此處了解有關(guān) 不同類(lèi)型逆變器的更多信息。在這篇文章中，我將使用Arduino制作一個(gè)簡(jiǎn)單的純正弦波逆變器，并解釋電路的工作原理。

　　什么是 SPWM（正弦脈沖寬度調(diào)制）？

　　顧名思義，SPWM代表S正弦脈沖寬度調(diào)制。_ 您可能已經(jīng)知道，PWM 信號(hào)是一種信號(hào)，我們可以在其中改變脈沖的頻率以及開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間，也稱(chēng)為占空比。如果您想了解有關(guān) PWM的更多信息，可以在此處閱讀。因此，通過(guò)改變占空比，我們改變了脈沖的平均電壓。下圖顯示——

　　如果我們考慮一個(gè)在 0-5V 之間切換且占空比為 100%的PWM 信號(hào)，我們將獲得 5V 的平均輸出電壓，同樣如果我們考慮占空比為 50% 的相同信號(hào)，我們將得到2.5V 的輸出電壓，對(duì)于 25% 的占空比，它是那個(gè)的一半。總結(jié)了PWM信號(hào)的基本原理，接下來(lái)我們就可以了解SPWM信號(hào)的基本原理了。

　　正弦電壓主要是一種模擬電壓，它會(huì)隨著時(shí)間的推移改變其幅度，我們可以通過(guò)不斷改變 PWM 波的占空比來(lái)重現(xiàn)正弦波的這種行為，下圖顯示了這一點(diǎn)。

　　如果您查看下面的示意圖，它將看到在變壓器的輸出端連接了一個(gè)電容器。該電容器負(fù)責(zé)從載波頻率中平滑交流信號(hào)。

　　利用的輸入信號(hào)將根據(jù)輸入信號(hào) 和負(fù)載對(duì)電容器進(jìn)行充電和放電。由于我們使用了一個(gè)非常高頻的SPWM信號(hào)，它會(huì)有一個(gè)非常小的占空比，大概是1%，這個(gè)1%的占空比會(huì)給電容充電一點(diǎn)，下一個(gè)占空比是5%，這會(huì)再次充電電容器再多一點(diǎn)，接下來(lái)的脈沖將有 10% 的占空比，電容器將再充電一點(diǎn)，我們將施加信號(hào)，直到我們達(dá)到100% 的占空比，然后從那里返回到 1%。這將在輸出端創(chuàng)建一個(gè)非常平滑的曲線(xiàn)，如正弦波。因此，通過(guò)在輸入端提供適當(dāng)?shù)恼伎毡戎担覀儗⒃谳敵龆双@得非常正弦的波形。

　　SPWM 逆變器的工作原理

　　上圖顯示了 SPWM 逆變器的主要驅(qū)動(dòng)部分，如您所見(jiàn)，我們使用了兩個(gè)半橋配置的N 溝道 MOSFET來(lái)驅(qū)動(dòng)該電路的變壓器，以減少不必要的開(kāi)關(guān)噪聲并保護(hù) MOSFET ，我們使用了與 MOSFET 并聯(lián)的 1N5819 二極管。為了減少柵極部分產(chǎn)生的任何有害尖峰，我們使用了與 1N4148 二極管并聯(lián)的 4.7 歐姆電阻。最后，BD139 和 BD 140 晶體管配置為推挽式配置驅(qū)動(dòng) MOSFET 的柵極，因?yàn)樵?MOSFET 具有非常高的柵極電容，并且基極需要至少 10V 才能正常開(kāi)啟。在此處了解有關(guān)推挽式放大器工作原理的更多信息。

　　為了更好地理解電路的工作原理，我們將其縮小到 MOSFET 的這一部分為 ON 的程度。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通電流時(shí)，先流過(guò)變壓器，然后被MOSFET接地，這樣在電流流動(dòng)的方向上也會(huì)感應(yīng)出磁通量，變壓器的鐵芯會(huì)通過(guò)磁通量在次級(jí)繞組中，我們將在輸出端獲得正弦信號(hào)的正半周期。

　　在下一個(gè)循環(huán)中，電路的底部在電路的頂部，這就是我移除頂部的原因，現(xiàn)在電流以相反的方向流動(dòng)并在該方向產(chǎn)生磁通量，從而反轉(zhuǎn)磁芯中磁通量的方向。在此處了解有關(guān)MOSFET工作原理的更多信息。

　　現(xiàn)在，我們都知道變壓器是靠磁通量變化來(lái)工作的。因此，打開(kāi)和關(guān)閉 MOSFET，一個(gè)倒置到另一個(gè)并在一秒鐘內(nèi)執(zhí)行 50 次，將在變壓器鐵芯內(nèi)產(chǎn)生良好的振蕩磁通量，而變化的磁通量將在次級(jí)線(xiàn)圈中感應(yīng)出電壓，如我們知道法拉第定律。這就是基本逆變器的工作原理。

　　該項(xiàng)目中使用的完整SPWM 逆變器電路如下所示。

　　構(gòu)建 SPWM 逆變器所需的組件

　　SPWM逆變器電路結(jié)構(gòu)

　　對(duì)于這個(gè)演示，電路是在 Veroboard 上構(gòu)建的，借助原理圖，在變壓器的輸出端，會(huì)有大量的電流流過(guò)連接，因此連接跳線(xiàn)需要盡可能厚。

　　SPWM逆變器的Arduino程序

　　在我們開(kāi)始理解代碼之前，讓我們先弄清楚基礎(chǔ)知識(shí)。通過(guò)以上工作原理，您已經(jīng)了解了PWM 信號(hào)在輸出端的樣子，現(xiàn)在的問(wèn)題是我們?nèi)绾卧?Arduino 的輸出引腳上產(chǎn)生如此變化的波形。

　　為了產(chǎn)生變化的 PWM 信號(hào)，我們將使用16 位定時(shí)器 1 ，預(yù)分頻器設(shè)置為 1，如果我們考慮正弦波的單個(gè)半周期，這將為每個(gè)計(jì)數(shù)提供 1600/16000000 = 0.1ms 時(shí)間，在波的半個(gè)周期內(nèi)恰好適合 100 次。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們將能夠?qū)φ也ㄟM(jìn)行 200 次采樣。

　　接下來(lái)，我們必須將我們的正弦波分成 200 段，并根據(jù)幅度的相關(guān)性計(jì)算它們的值。接下來(lái)，我們必須將這些值與計(jì)數(shù)器限制相乘，將其轉(zhuǎn)換為定時(shí)器計(jì)數(shù)器值。最后，我們必須將這些值放入查找表中以將其提供給計(jì)數(shù)器，我們將獲得正弦波。

　　為了讓事情更簡(jiǎn)單一點(diǎn)，我使用了一個(gè)來(lái)自GitHub的非常好的 SPWM 代碼，它是由Kurt Hutten編寫(xiě)的。

　　代碼很簡(jiǎn)單，我們通過(guò)添加所需的頭文件開(kāi)始我們的程序

#include 
#include

接下來(lái)，我們有兩個(gè)查找表，我們將從中獲取計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)器值。

int lookUp1[] = {50 ,100 ,151 ,201 ,250 ,300 ,349 ,398 ,446 ,494 ,542 ,589 ,635 ,681 ,726 ,771 ,814 ,857 ,899 ,940 ,981 ,1020 , 1058 ,1095 ,1131 ,1166 ,1200 ,1233 ,1264 ,1294 ,1323 ,1351 ,1377 ,1402 ,1426 ,1448 ,1468 ,1488 ,1505 ,1522 ,1536 ,1550 ,1561 ,1572 ,1580 ,1587 ,1593 , 1597 ,1599 ,1600 ,1599 ,1597 ,1593 ,1587 ,1580 ,1572 ,1561 ,1550 ,1536 ,1522 ,1505 ,1488 ,1468 ,1448 ,1426 ,1402 ,1377 ,1351 ,1323 ,1294 ,1264 ,1233 , 1200 ,1166 ,1131 ,1095 ,1058 ,1020 ,981 ,940 ,899 ,857 ,814 ,771 ,726 ,681 ,635 ,589 ,542 ,494 ,446 ,398 ,349 ,300 ,5,250 ,201 , 100 ,50 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0};
int lookUp2[] = {0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,50 ,100 ,151 ,201 ,250 ,300 ,349 ,398 ,446 ,494 ,542 ,589 ,635 ,681 ,726 ,771 ,814 ,857 ,899 ,940 ,981 ,1020 , 1058 ,1095 ,1131 ,1166 ,1200 ,1233 ,1264 ,1294 ,1323 ,1351 ,1377 ,1402 ,1426 ,1448 ,1468 ,1488 ,1505 ,1522 ,1536 ,1550 ,1561 ,1572 ,1580 ,1587 ,1593 , 1597 ,1599 ,1600 ,1599 ,1597 ,1593 ,1587 ,1580 ,1572 ,1561 ,1550 ,1536 ,1522 ,1505 ,1488 ,1468 ,1448 ,1426 ,1402 ,1377 ,1351 ,1323 ,1294 ,1264 ,1233 , 1200 ,1166 ,1131 ,1095 ,1058 ,1020 ,981 ,940 ,899 ,857 ,814 ,771 ,726 ,681 ,635 ,589 ,542 ,494 ,446 ,398 ,349 ,300 ,5,250 ,201 ,100 ,50 ,0};

接下來(lái)，在設(shè)置部分，我們初始化定時(shí)器計(jì)數(shù)器控制寄存器以清除每個(gè)寄存器。如需更多信息，您需要查看 atmega328 IC 的數(shù)據(jù)表。

    TCCR1A = 0b10100010；
       /*10 匹配時(shí)清除，為 compA 設(shè)置為 BOTTOM。
         10 在比賽中清除，在底部設(shè)置為 compB。
         00
         10 WGM1 1:0 用于波形 15。
       */
    TCCR1B = 0b00011001；
       /*000
         11 WGM1 3:2 用于波形 15。
         001 計(jì)數(shù)器上沒(méi)有預(yù)分頻器。
       */
    TIMSK1 = 0b00000001；
       /*0000000
         1 TOV1 標(biāo)志中斷使能。
       */

之后，我們使用預(yù)定義的值 16000 初始化輸入捕獲寄存器，因?yàn)檫@將幫助我們準(zhǔn)確生成 200 個(gè)樣本。

ICR1 = 1600；// 16MHz 晶體的周期，對(duì)于每 50Hz 正弦波周期 200 次細(xì)分的 100KHz 開(kāi)關(guān)頻率。

接下來(lái)，我們通過(guò)調(diào)用函數(shù)來(lái)啟用全局中斷，

sei();

最后，我們將 Arduino 引腳 9 和 10 設(shè)置為輸出

DDRB = 0b00000110；// 將 PB1 和 PB2 設(shè)置為輸出。

這標(biāo)志著 setup 函數(shù)的結(jié)束。

代碼的循環(huán)部分保持空白，因?yàn)樗且粋€(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器中斷驅(qū)動(dòng)程序。

無(wú)效循環(huán)（）{；/*沒(méi)做什么 。. . . 永遠(yuǎn)！*/}

接下來(lái)，我們定義了 timer1 溢出向量，一旦 timer1 溢出并產(chǎn)生中斷，這個(gè)中斷函數(shù)就會(huì)被調(diào)用。

ISR（TIMER1_OVF_vect）{

接下來(lái)，我們將一些局部變量聲明為靜態(tài)變量，并開(kāi)始將這些值提供給捕獲和比較電阻器。

靜態(tài)整數(shù)；
靜態(tài)字符觸發(fā)；
// 每個(gè)周期改變占空比。
OCR1A = 查找1[編號(hào)]；
OCR1B = 查找2[編號(hào)]；

最后，我們預(yù)先增加計(jì)數(shù)器以將下一個(gè)值提供給捕獲和比較電阻器，這標(biāo)志著這段代碼的結(jié)束。

if(++num >= 200){ // 預(yù)先增加 num 然后檢查它是否低于 200。
       數(shù) = 0; // 重置號(hào)碼
       觸發(fā)=觸發(fā)^0b00000001；
       數(shù)字寫(xiě)入（13，觸發(fā)）；
     }

　　測(cè)試 TL494 PWM 逆變器電路

　　為了測(cè)試電路，使用以下設(shè)置。

　　12V鉛酸電池。

　　具有 6-0-6 抽頭和 12-0-12 抽頭的變壓器

　　100W白熾燈泡作為負(fù)載

　　Meco 108B+TRMS 萬(wàn)用表

　　Meco 450B+TRMS 萬(wàn)用表

　　來(lái)自 Arduino 的輸出信號(hào)：

　　一旦我上傳了代碼。我測(cè)量了Arduino兩個(gè)引腳的輸出 SPWM 信號(hào)，如下圖所示，

　　如果我們稍微放大一點(diǎn)，我們可以看到 PWM 波不斷變化的占空比。

　　接下來(lái)，下圖顯示了變壓器的輸出信號(hào)。

　　理想狀態(tài)下的 SPWM 逆變器電路：

　　從上圖中可以看出，該電路在理想運(yùn)行時(shí)消耗約 13W

　　無(wú)負(fù)載輸出電壓：

　　逆變器電路的輸出電壓如上圖所示，這是在沒(méi)有任何負(fù)載的情況下輸出的電壓。

　　輸入功耗：

　　上圖顯示了連接 40W 負(fù)載時(shí) ic 消耗的輸入功率。

　　輸出功耗：

　　上圖顯示了該電路消耗的輸出功率，（負(fù)載為 40W 白熾燈泡）
?

/*
* sPWMv2.c
*
* 創(chuàng)建時(shí)間：2014 年 12 月 31 日下午 3:44:43
* 作者：庫(kù)爾特·赫頓
arduino Uno 的 atMega328 上的 SPWM，可能與其他 atmel 芯片/arduino 板兼容。
比較輸出 A 和 B 輸出到 PORTB 引腳 1 和 2，它們分別是 Uno 上的引腳 9 和 10。
了解 Uno 上的 LED 也很有用，它是 PORTB 上的引腳 5。
*/
#include
#include
// 查找每個(gè)有 200 個(gè)條目的表，標(biāo)準(zhǔn)化為最大值 1600，這是加載到寄存器 ICR1 的 PWM 周期。
int lookUp1[] = {50 ,100 ,151 ,201 ,250 ,300 ,349 ,398 ,446 ,494 ,542 ,589 ,635 ,681 ,726 ,771 ,814 ,857 ,899 ,940 ,981 ,1020 , 1058 ,1095 ,1131 ,1166 ,1200 ,1233 ,1264 ,1294 ,1323 ,1351 ,1377 ,1402 ,1426 ,1448 ,1468 ,1488 ,1505 ,1522 ,1536 ,1550 ,1561 ,1572 ,1580 ,1587 ,1593 , 1597 ,1599 ,1600 ,1599 ,1597 ,1593 ,1587 ,1580 ,1572 ,1561 ,1550 ,1536 ,1522 ,1505 ,1488 ,1468 ,1448 ,1426 ,1402 ,1377 ,1351 ,1323 ,1294 ,1264 ,1233 , 1200 ,1166 ,1131 ,1095 ,1058 ,1020 ,981 ,940 ,899 ,857 ,814 ,771 ,726 ,681 ,635 ,589 ,542 ,494 ,446 ,398 ,349 ,300 ,5,250 ,201 , 100 ,50 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0};
int lookUp2[] = {0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,50 ,100 ,151 ,201 ,250 ,300 ,349 ,398 ,446 ,494 ,542 ,589 ,635 ,681 ,726 ,771 ,814 ,857 ,899 ,940 ,981 ,1020 , 1058 ,1095 ,1131 ,1166 ,1200 ,1233 ,1264 ,1294 ,1323 ,1351 ,1377 ,1402 ,1426 ,1448 ,1468 ,1488 ,1505 ,1522 ,1536 ,1550 ,1561 ,1572 ,1580 ,1587 ,1593 , 1597 ,1599 ,1600 ,1599 ,1597 ,1593 ,1587 ,1580 ,1572 ,1561 ,1550 ,1536 ,1522 ,1505 ,1488 ,1468 ,1448 ,1426 ,1402 ,1377 ,1351 ,1323 ,1294 ,1264 ,1233 , 1200 ,1166 ,1131 ,1095 ,1058 ,1020 ,981 ,940 ,899 ,857 ,814 ,771 ,726 ,681 ,635 ,589 ,542 ,494 ,446 ,398 ,349 ,300 ,5,250 ,201 ,100 ,50 ,0};
無(wú)效設(shè)置（）{
// 寄存器初始化，更多細(xì)節(jié)參見(jiàn)數(shù)據(jù)表。
TCCR1A = 0b10100010；
/*10 匹配時(shí)清除，為 compA 設(shè)置為 BOTTOM。
10 在比賽中清除，在底部設(shè)置為 compB。
00
10 WGM1 1:0 用于波形 15。
*/
TCCR1B = 0b00011001；
/*000
11 WGM1 3:2 用于波形 15。
001 計(jì)數(shù)器上沒(méi)有預(yù)分頻器。
*/
TIMSK1 = 0b00000001；
/*0000000
1 TOV1 標(biāo)志中斷使能。
*/
ICR1 = 1600；// 16MHz 晶體的周期，對(duì)于每 50Hz 正弦波周期 200 次細(xì)分的 100KHz 開(kāi)關(guān)頻率。
sei(); // 啟用全局中斷。
DDRB = 0b00000110；// 將 PB1 和 PB2 設(shè)置為輸出。
pinMode（13，輸出）；
}
無(wú)效循環(huán)（）{；/*沒(méi)做什么。. . . 永遠(yuǎn)！*/}
ISR（TIMER1_OVF_vect）{
靜態(tài)整數(shù)；
靜態(tài)字符觸發(fā)；
// 每個(gè)周期改變占空比。
OCR1A = 查找1[編號(hào)]；
OCR1B = 查找2[編號(hào)]；
if(++num >= 200){ // 預(yù)先增加 num 然后檢查它是否低于 200。
數(shù) = 0; // 重置號(hào)碼
觸發(fā)=觸發(fā)^0b00000001；
數(shù)字寫(xiě)入（13，觸發(fā)）；
}
}

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