一種基于單片機(jī)的正弦波輸出逆變電源的設(shè)計(jì)

1、摘要：介紹J'一種正弦波輸出的逆變電源的設(shè)計(jì).設(shè)訃中采用r DC/DC和DC / AC兩級(jí)變換點(diǎn)頻變壓 器隔離單片機(jī)限制.實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明性能可靠.關(guān)鍵詞：逆變電源:片機(jī);正弦脈寬調(diào)制0引言低斥小功率逆變電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域.持別是新能源的開發(fā)利用例如太陽能電池的 普遍使用,需要一個(gè)逆變系統(tǒng)將太陽能電池輸出的直流電壓變換為220V. 50Hz交流電樂,以便于使用.木文 給出了一種用的片機(jī)限制的正弦波輸出逆變電源的設(shè)il,它以12V直流電源作為輸入輸出220V. 50Hz. 0150W的正弦波交流電,以滿足大局部常規(guī)小電器的供電需求.該電源采用推挽升圧和全橋逆變兩級(jí)變換. 前后

2、級(jí)之間完全隔離°在限制電路上,前級(jí)推挽升斥電路采用SG3525芯片限制,采樣變壓器繞組電壓做閉環(huán) 反應(yīng):逆變局部采用單片機(jī)數(shù)字化SPWM限制方式,采樣直流母線電壓做電壓前饋限制同時(shí)采樣電流做反應(yīng) 限制:在保護(hù)上,具有輸入過、欠壓保護(hù)輸出過載、短路保護(hù)過熱保護(hù)等笫重保護(hù)功能電路増強(qiáng)了該電源的 可崟性和平安性.該電源可以在輸人電壓從105V到15V變化范困內(nèi)輸岀220V±10V的正弦波交流電壓,頻率 50Hz±O5Hz.直流分S<1V,電壓波形畸變率<5%,并且有很強(qiáng)的過載水平.由于采用了片機(jī)數(shù)字化SPWM 限制方式,限制靈活方便可以在不改變電路結(jié)構(gòu)的條件

3、下,只改變程序,使逆變湍輸出110V、60Hz正弦波交流 電以適應(yīng)不同用戶的需求.1主電路逆變電源主電路采用推挽升壓和全橋逆變兩級(jí)變換如圖1所示.電池欠氐r."ni . r樸欠曲護(hù)PIC16C73L汕那么扒MSPWM 紳因I過路像理圖輸入電斥一端接在變斥器原邊的中間抽頭,另一瑞接在開關(guān)管S1及S2的中點(diǎn).限制S1及S2輪流導(dǎo)通. 在變壓器原邊形成商頻的交流電壓,經(jīng)過變壓器升圧.整流和遊波在電容C1上得到約370 V直流電圧.對 S3S6組成的逆變橋采用正弦脈寬調(diào)制,逆變輸出電壓經(jīng)過電感L、電容C2濾波后垠終在負(fù)栽上得到220 V、 50 Hz的正弦波交流電.采用商頻變斥器實(shí)現(xiàn)前后級(jí)之

4、間的隔離有利于提商系統(tǒng)的平安性.輸入電圧10. 515 V.輸入最大電流15 A.考慮一倍的余址推挽電路開關(guān)管S1及S2耐樂不小于30 V正 向電流不小于30 A選用IRFZ48N.升斥舟頻變壓器的設(shè)訃應(yīng)滿足在輸入電壓最低時(shí)副邊電壓經(jīng)整流后不小于逆變局部所需要的最低電 壓350 V,同時(shí)輸入電壓最商時(shí),副邊電壓不能過高,以免損壞元辭件.同時(shí)也必須考慮繞線上的電斥降和發(fā)熱 問題.選EE型鐵氧體磁芯原副邊繞組為7匝：300匝.關(guān)于島頻變壓器的設(shè)訃可以參考文獻(xiàn).變斥器副邊輸出整流橋由4個(gè)HER3O7組成.濾波電容選用68應(yīng) 450 V電解電容.根據(jù)輸岀功率的要求輸出電流有效值為0 6-0.7入考慮一

5、定的電壓和電流余址逆變橋中的S3S6選 用IRF840.逆變局部采用單極性SPWM限制方式開關(guān)頻率fs=16 kHz.假?zèng)]濾波器時(shí)間常數(shù)為開關(guān)周期的16倍即諧振頻率取1 kHz 那么有2ttIO'3(1)濾波電感電容LO2. 5x10-3,可選取L=5mH.C=47旺.濾波電感L選用內(nèi)徑20 mm.外徑40 mm的環(huán) 形鐵粉芯礎(chǔ)芯,繞線采用直徑0. 4 mm的漆包線2股并繞,匝數(shù)180匝.2數(shù)字化SPWM限制方法該逆變電源的限制電路也分為兩局部.前級(jí)推挽升壓電路由PWIV1專用芯片SG3525限制.采樣變圧器繞 組電壓實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)反應(yīng)限制.后級(jí)逆變電路由魏片機(jī)PIC16C73限制,采樣

6、母線電壓實(shí)現(xiàn)電壓前饋限制.前 級(jí)限制方法比擬簡單在這里主要介紹后級(jí)氓片機(jī)的數(shù)字化SPWM限制方式.2.1正弦脈寬調(diào)制SPWM正弦脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)具有線性調(diào)壓、抑制諧波等優(yōu)點(diǎn),是目前應(yīng)用報(bào)為廣泛的脈寬調(diào)制技術(shù).一般 用三角波pc作為載波信號(hào),正弦波ug=UgmSin2Rfgt作為調(diào)制信號(hào)根據(jù)p和pg的交點(diǎn)得到一系列脈寬按正 弦規(guī)律變化的脈沖信號(hào).那么可以定義調(diào)制比m=Ugm / Ucm.頻率比K=fc / fa=Tg / Teo.正弦脈寬調(diào)制可以分為單極性SPWM和雙極性SPWM.雙極性SPWM的栽波為正負(fù)半周都有的對稱 三角波輸出電壓為正負(fù)交替的方波序列而沒有零電平朋此可以應(yīng)用干半橋和全橋

7、電路.實(shí)際中應(yīng)選擇頻率 比K為奇數(shù)使得輸出電壓2具有奇函數(shù)對稱和半波對稱的性質(zhì),pc無偶次諧波.但是輸出電壓pc中含有 比擬嚴(yán)重的n=K次中央諧波以及n=jk±6次邊頻諧波.其限制信號(hào)為相位互補(bǔ)的兩列脈沖信號(hào).單極性SPWM的戦波為做極性的不對稱三角波輸出電壓也是單極性的方波.由于輸岀電斥中包含零 電平対此單極性SPWM只能應(yīng)用于全橋逆變電路.由于其載波木身就具有奇函數(shù)對稱和半波對稱持性無 論頻率比K取奇數(shù)還是偶數(shù)輸出電斥Uo都沒有偶次諧波.輸出電壓的單極性持性使得uo不含有n=k次中 心諧波和邊頻諧波,但卻有少雖的低頻諧波分址.單極性SPWM的限制信號(hào)為一組商頻(載波頻率fe)脈沖

8、和 一組低頻(調(diào)制頻率fk)脈沖每組的兩列脈沖相位互補(bǔ).由三角找波和正弦調(diào)制波的幾何關(guān)系可以得到在kS 1時(shí)高頻脈沖的占空比D為I) = /7?sin2Tr /L r( 2)U ern2. 2 PIC 片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)PIC16C73是Microchip公司的一款中檔爪片機(jī)它功能強(qiáng)大而又價(jià)格低廉.PIC16C73內(nèi)部有兩個(gè) CCP(Caplure. Compare. PWM)模塊嚴(yán)|它工作在PwHl模式下.CCP x引腳就可以輸出占空比10位分辨率可 調(diào)的方波,圖2為其匸作原理圖.圖2 單片機(jī)CCP模塊工作原理圖TMR2在計(jì)數(shù)過程中將同步進(jìn)行兩次比擬：TMR2和CCPRxII比擬一致將使CCPX

9、引腳輸出低電 平:TMR2和PR2比擬一致將使CCPx引腳輸出商電平.同時(shí)將T1V1R2清0并讀入下一個(gè)CCPRxH值如圖3所 示.因此,設(shè)定CCPRxH值就可以設(shè)定占空比設(shè)定PR2值就可以設(shè)定脈沖周期.脈沖占空比D可以表示為(3)CCIhHPlb+ 1在木設(shè)計(jì)中,全橋逆變器采用做極性SPWM調(diào)制方式.CCP1模塊用來產(chǎn)生商頻脈沖.CCP2模塊用來產(chǎn) 牛低頻脈沖.選擇16M晶振根據(jù)脈沖周期Tc=|(PR2)+llx4x4*Tosc和頻率比k=Tg / Tc.可以取 PR2=249.k=320,那么有Tg=20 ms,高頻脈沖序列每一一個(gè)周期中包含：320個(gè)脈沖.設(shè)調(diào)制比m=0. 92將=TgN

10、 / 320代入式(2),聯(lián)立式可以得到產(chǎn)生高頻脈沖所需要的CCP1H的取值,第079個(gè)脈沖為CCPlH=230sm(jrN/160)(4)式中：N為OT9.考慮到正弦波的對稱性,可以得到第80159個(gè)脈沖為CCPlH=230$inx(80N) / 160 (5)根據(jù)脈沖的互補(bǔ)性,可以得到第160239個(gè)脈沖為CCP1H=25O230sm(nN / 160)(6)第240319個(gè)脈沖為CCP1H=25O230Sinjrx(S0- N) / 160)(7)Period:DuivCXcle :!:TMRz=PR： I；7 MR? CCPvIl*IMRz-PR：圖3 PWM波輸出原理圖因此,在程序中

11、存儲(chǔ)表格230sm(;rN / 160),N曰0,79就可以得到整個(gè)周期320個(gè)高頻脈沖的CCPH值. 第079點(diǎn),CCP1H為正向査表取值:第80159點(diǎn),CCP1H為反向査表取值:第160239點(diǎn)CCP1H為il數(shù)周 期減去正向査表值:第240319點(diǎn)CCP1H為計(jì)數(shù)周期減去反向査表值.對于低頻脈沖,前半個(gè)周期可以看成由占空比始終為1的為頻脈沖組成,后半個(gè)周期看成由占空比始終為 0的高頻脈沖組成,因此第0159個(gè)脈沖,CCP2H=250,第160319個(gè)脈沖,CCP2H=Oa圖4為貳片機(jī)_TMR2中斷程序的流程圖、在中斷程序中查表修改CCPxL的值.就可以改變下一個(gè)脈沖的 CCPxH值,從而修改下一個(gè)脈沖的占空比,實(shí)現(xiàn)SPWM限制.圖4 定時(shí)器2中斷程序流程圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)中輸入電斥變化范用為10. 5-15 V輸出濾波電感53mH謔波電容8吐從空載到150W負(fù)載狀態(tài)下 都可以輸出(220±10V)、50Hz的正弦波交流電壓,如表1和表2所示.圖5和圖6分別為空載和150W純阻性負(fù) 載條件下輸岀電斥電流波形.可以看出輸出電壓和電流波形良好,經(jīng)測址電斥波形的THD為36%.表1逆變電源源效應(yīng)(I50