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：介紹了一種正弦波輸出的逆變電源的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用了dcdc和dcac兩級(jí)變換,高頻變壓器隔離,單片機(jī)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明性能可靠。關(guān)鍵詞：逆變電源;單片機(jī);正弦脈寬調(diào)制o 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

2、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)反饋;逆變部分采用單片機(jī)數(shù)字化spwm控制方式,采樣直流母線電壓做電壓前饋控制,同時(shí)采樣電流做反饋控制;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105v到15v變化范圍內(nèi),輸出220v10v的正弦波交流電壓,頻率50hzo5hz,直流分量lv,電壓波形畸變率5,并且有很強(qiáng)的過載能力。由于采用了單片機(jī)數(shù)字化spwm控制方式,控制靈活方便,可以在不改變電路結(jié)構(gòu)的條件下,只改變程序,使逆變器輸出110v、60hz正弦波交流電,以適應(yīng)

3、不同用戶的需求。l 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寬調(diào)制,逆變輸出電壓經(jīng)過電感l(wèi)、電容c2濾波后,最終在負(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10515 v,輸入最大電流15 a,考慮一倍的余量,推挽電路開關(guān)管s1及s2耐壓不小于30 v,正向電流不小于30

4、a,選用irfz48n。 升壓高頻變壓器的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足在輸入電壓最低時(shí),副邊電壓經(jīng)整流后不小于逆變部分所需要的最低電壓350 v,同時(shí)輸入電壓最高時(shí),副邊電壓不能過高,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)熱問題。選ee型鐵氧體磁芯,原副邊繞組為7匝：300匝。關(guān)于高頻變壓器的設(shè)計(jì)可以參考文獻(xiàn)。 變壓器副邊輸出整流橋由4個(gè)her307組成濾波電容選用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,開關(guān)頻率fs=16 khz。 假?zèng)]濾波器時(shí)間常數(shù)為開關(guān)周期

5、的16倍,即諧振頻率取1 khz,則有 濾波電感電容lc2510-3,可選取l=5 mh,c=47f。濾波電感l(wèi)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o4 mm的漆包線2股并繞,匝數(shù)180匝。2 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)電壓閉環(huán)反饋控制。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。2.l 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

6、目前應(yīng)用最為廣泛的脈寬調(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=ugmucm,頻率比k=fcfa=tgtco。 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)交替的方波序列而沒有零電平,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

7、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,無論頻率比k取奇數(shù)還是偶數(shù)輸出電壓uo都沒有偶次諧波。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)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 22 pic單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn) picl6c73是microchip公司的一款中檔單片機(jī),它功

8、能強(qiáng)大而又價(jià)格低廉。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)過程中將同步進(jìn)行兩次比較：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,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模塊用來產(chǎn)生高頻脈沖,ccp2模塊

9、用來產(chǎn)牛低頻脈沖。選擇16m晶振,根據(jù)脈沖周期tc=(pr2)+l44*tosc和頻率比k=tgtc,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=092,將,t=tgn320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。 考慮到正弦波的對(duì)稱性,可以得到第80159個(gè)脈沖為 ccp1h=230sin(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=250230sin(n160) (6)

10、第240319個(gè)脈沖為 ccp1h=250230sin(80一n)160(7) 因此,在程序中存儲(chǔ)表格230sin(n160),n0,79就可以得到整個(gè)周期320個(gè)高頻脈沖的ccph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。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)中,輸入電壓變化范圍為10515 v,輸出濾波電感53mh,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