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1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 單片機(jī)的正弦波輸出逆變電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 引言 低壓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。特別是新能源的開(kāi)發(fā)利用,例如太陽(yáng)能電池的普遍使用,需要一個(gè)逆變系統(tǒng)將太陽(yáng)能電池輸出的直流電壓變換為220V、50Hz交流電壓,以便于使用。本文給出了一種用單片機(jī)控制的正弦波輸出逆變電源的設(shè)計(jì),它以12V直流電源作為輸入,輸出220V、50Hz、0150W的正弦波交流電,以滿足大部分常規(guī)小電器的供電需求。該電源采用推挽升壓和全橋逆變兩級(jí)變換,前后級(jí)之間完全隔離。在控制電路上,前級(jí)推挽升壓電路采用SG3525芯片控制,采樣變壓器繞組電壓做閉環(huán)反應(yīng);逆變部分采用單片機(jī)數(shù)字化

2、SPWM控制方式,采樣直流母線電壓做電壓前饋控制,同時(shí)采樣電流做反應(yīng)控制;在保護(hù)上,具有輸入過(guò)、欠壓保護(hù),輸出過(guò)載、短路保護(hù),過(guò)熱保護(hù)等多重保護(hù)功能電路,增強(qiáng)了該電源的可靠性和安全性。 該電源可以在輸人電壓從10.5V到15V變化范圍內(nèi),輸出220V10V的正弦波交流電壓,頻率50HzO.5Hz,直流分量 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。 輸入電壓一端接在變壓器原邊的中間抽頭,另一端接在開(kāi)關(guān)管S1及S2的中點(diǎn)。控制S1及S2輪流導(dǎo)通,在變壓器原邊形成高頻的交流電壓,經(jīng)過(guò)變壓器升壓、整流和濾波在電容C1上得到約370 V直流電壓。對(duì)S3S6組成的逆變橋采用正弦脈

3、寬調(diào)制,逆變輸出電壓經(jīng)過(guò)電感L、電容C2濾波后,終在負(fù)載上得到220 V、50 Hz的正弦波交流電。采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)前后級(jí)之間的隔離,有利于提高系統(tǒng)的安全性。 輸入電壓10.515 V,輸入電流15 A,考慮一倍的余量,推挽電路開(kāi)關(guān)管S1及S2耐壓不小于30 V,正向電流不小于30 A,選用IRFZ48N。 升壓高頻變壓器的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足在輸入電壓時(shí),副邊電壓經(jīng)整流后不小于逆變部分所需要的電壓350 V,同時(shí)輸入電壓時(shí),副邊電壓不能過(guò)高,以免損壞元器件。同時(shí)也必須考慮繞線上的電壓降和發(fā)熱問(wèn)題。選EE型鐵氧體磁芯,原副邊繞組為7匝:300匝。 變壓器副邊輸出整流橋由4個(gè)HER307組成.濾波電容選

4、用68F、450 V電解電容。 根據(jù)輸出功率的要求,輸出電流有效值為0 6O.7 A,考慮一定的電壓和電流余量,逆變橋中的S3S6選用IRF840。逆變部分采用單極性SPWM控制方式,開(kāi)關(guān)頻率fs=16 kHz。 假?zèng)]濾波器時(shí)間常數(shù)為開(kāi)關(guān)周期的16倍,即諧振頻率取1 kHz,則有 濾波電感電容LC2.510-3,可選取L=5 mH,C=4.7F。濾波電感L選用內(nèi)徑20 mm,外徑40 mm的環(huán)形鐵粉芯磁芯,繞線采用直徑0.4 mm的漆包線2股并繞,匝數(shù)180匝。 數(shù)字化SPWM控制方法 該逆變電源的控制電路也分為兩部分。前級(jí)推挽升壓電路由PWM專用芯片SG3525控制,采樣變壓器繞組電壓實(shí)現(xiàn)電

5、壓閉環(huán)反應(yīng)控制。后級(jí)逆變電路由單片機(jī)PICl6C73控制,采樣母線電壓實(shí)現(xiàn)電壓前饋控制。前級(jí)控制方法比較簡(jiǎn)單,在這里主要介紹后級(jí)單片機(jī)的數(shù)字化SPWM控制方式。 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)用為廣泛的脈寬調(diào)制技術(shù).一般用三角波c作為載波信號(hào),正弦波ug=UgmSin2fgt作為調(diào)制信號(hào),根據(jù)和g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)。則可以定義調(diào)制比m=Ugm/Ucm,頻率比K=fc/fa=Tg/Tco。 正弦脈寬調(diào)制可以分為單極性SPWM和雙極性SPWM。雙極性SPWM的載波為正負(fù)半周都有的對(duì)稱三角波,輸出電壓為正負(fù)交替的方

6、波序列而沒(méi)有零電平,因此可以應(yīng)用于半橋和全橋電路。實(shí)際中應(yīng)選擇頻率比K為奇數(shù),使得輸出電壓o具有奇函數(shù)對(duì)稱和半波對(duì)稱的性質(zhì),c無(wú)偶次諧波。但是輸出電壓c中含有比較嚴(yán)重的n=K次中心諧波以及n=jk6次邊頻諧波。其控制信號(hào)為相位互補(bǔ)的兩列脈沖信號(hào)。 單極性SPWM的載波為單極性的不對(duì)稱三角波,輸出電壓也是單極性的方波。因?yàn)檩敵鲭妷褐邪汶娖?,因此,單極性SPWM只能應(yīng)用于全橋逆變電路。由于其載波本身就具有奇函數(shù)對(duì)稱和半波對(duì)稱特性,無(wú)論頻率比K取奇數(shù)還是偶數(shù)輸出電壓Uo都沒(méi)有偶次諧波。輸出電壓的單極性特性使得uo不含有n=k次中心諧波和邊頻諧波,但卻有少量的低頻諧波分量。單極性SPWM的控制信號(hào)

7、為一組高頻(載波頻率fe)脈沖和一組低頻(調(diào)制頻率fk)脈沖,每組的兩列脈沖相位互補(bǔ)。由三角載波和正弦調(diào)制波的幾何關(guān)系可以得到,在kl時(shí),高頻脈沖的占空比D為 2. PIC單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn) PICl6C73是一款中檔單片機(jī),PICl6C73內(nèi)部有兩個(gè)CCP(Capture、Compare、PWM)模塊,當(dāng)它工作在PwM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為其工作原理圖。 TMR2在計(jì)數(shù)過(guò)程中將同步開(kāi)展兩次比較:TMR2和CCPRxH比較一致將使CCPX引腳輸出低電平;TMR2和PR2比較一致將使CCPx引腳輸出高電平,同時(shí)將TMR2清O,并讀入下一個(gè)CCPRxH值

8、,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 在本設(shè)計(jì)中,全橋逆變器采用單極性SPWM調(diào)制方式。CCP1模塊用來(lái)產(chǎn)生高頻脈沖,CCP2模塊用來(lái)產(chǎn)牛低頻脈沖。選擇16M晶振,根據(jù)脈沖周期Tc=44*Tosc和頻率比k=Tg/Tc,可以取PR2=249,k=320,則有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,t=TgN/320代入式(2),聯(lián)立式(3)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 CCP1H=230sin(N/160) (4) 式中:N為O79。 考

9、慮到正弦波的對(duì)稱性,可以得到第80159個(gè)脈沖為 CCP1H=230sin (5) 根據(jù)脈沖的互補(bǔ)性,可以得到第160239個(gè)脈沖為 CCP1H=250230sin(N/160) (6) 第240319個(gè)脈沖為 , ; CCP1H=250230Sin(7) 因此,在程序中存儲(chǔ)表格230sin(N/160),N就可以得到整個(gè)周期320個(gè)高頻脈沖的CCP.H值。第O79點(diǎn),CCP1H為正向查表取值;第80159點(diǎn),CCP1H為反向查表取值;第160239點(diǎn)CCP1H為計(jì)數(shù)周期減去正向查表值;第240319點(diǎn)CCP1H為計(jì)數(shù)周期減去反向查表值。 對(duì)于低頻脈沖,前半個(gè)周期可以看成由占空比始終為1的高頻脈沖組成,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O159個(gè)脈沖,CCP2H=250,第160319個(gè)脈沖,CCP2H=O。 圖4為單片機(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控制。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)中,輸入電壓變化范圍為10.515 V,輸出濾波電感5.3mH,濾波電容8F,從空載到150W負(fù)載狀態(tài)下都可以輸出(22010V)、50Hz的正弦波交流電壓,如下表1和表2所示

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