用pic16f73單片機產(chǎn)生spwm波控制ups電源逆變系統(tǒng)解析方案

1、用pic16f73單片機產(chǎn)生spwm波控制ups電源逆變系統(tǒng)解析方案    1 引言隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和計算用pic16f73單片機產(chǎn)生spwm波控制ups電源逆變系統(tǒng)解析方案 1 引言隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機應(yīng)用的日益普及，高新技術(shù)設(shè)備對供電質(zhì)量的要求越來越高，很多設(shè)備都要求電源能夠持續(xù)提供恒頻恒壓、無崎變的純正弦波交流電，不間斷電源ups就是用來給這些設(shè)備供電的。ups一般采用正弦脈寬調(diào)制(spwm)的控制方法將直流電逆變成正弦波交流電。目前，spwm控制波形的產(chǎn)生一般有三種方式：1、用分立元件電路產(chǎn)生，主要由三角波發(fā)生器、正弦波發(fā)生器和比

2、較器組成。分立元件電路復(fù)雜，調(diào)試困難，成本高，可靠性差，因此一般很少采用。2、用專用集成芯片產(chǎn)生，專用集成芯片功能強大，輸出波形質(zhì)量高，應(yīng)用比較廣泛。3、用單片機實現(xiàn)，現(xiàn)在許多單片機都具有產(chǎn)生spwm波的功能，采用單片機可使電路簡單可靠，而且還方便對系統(tǒng)其他數(shù)據(jù)參數(shù)的監(jiān)控、顯示和處理，使整個系統(tǒng)的控制非常的方便。本文就是采用pic16f73單片機產(chǎn)生spwm波來控制ups電源中的逆變系統(tǒng)的。2 硬件電路設(shè)計系統(tǒng)總體硬件框圖如圖1所示：電網(wǎng)輸入交流電經(jīng)整流濾波電路后，變成直流電壓，送入功率因數(shù)校正模塊(pfc)，進行功率因數(shù)校正，并同時進行直流電壓調(diào)整，升壓到360v。另一方面，蓄電池輸出的48

3、v直流電壓經(jīng)過蓄電池升壓電路后得到345v的直流高壓，這兩路直流高壓通過二極管并聯(lián)起來，供給橋式逆變電路。正常工作時，由市電整流所得直流給逆變器供電，而當市電異常時，則自動切換到蓄電池供電。直流電經(jīng)過橋式逆變電路逆變后，再經(jīng)輸出濾波變成220v、50hz純正弦波交流電，供給負載。控制電路以 microchip公司的pic16f73單片機為核心。pic單片機是采用risc結(jié)構(gòu)的高性價比嵌入式控制器，采取數(shù)據(jù)總線和地址總線分離的harvard雙總線結(jié)構(gòu)，具有很高的流水處理速度。pic16f73最高時鐘頻率為20mhz，每條指令執(zhí)行周期200ns，由于大多數(shù)指令執(zhí)行時間為一個周期，因此速度相當快。其

4、內(nèi)含192字節(jié)的ram ，4k程序存儲器、5路a/d轉(zhuǎn)換及2路pwm波發(fā)生器，應(yīng)用時外圍電路極其簡單，是理想的單相逆變電源數(shù)字控制器。單片機通過內(nèi)部軟件產(chǎn)生一路spwm控制信號，然后經(jīng)過邏輯門變換電路變換成逆變?nèi)珮蛩璧乃穆夫?qū)動信號，再經(jīng)專用驅(qū)動芯片tlp250隔離放大后，分別加到逆變?nèi)珮蛩膫€igbt的柵極，進行驅(qū)動控制。為了提高輸出電壓的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)中采用了電壓反饋閉環(huán)。輸出電壓經(jīng)電阻分壓取樣后，由運算放大電路將電平轉(zhuǎn)換為單片機a/d轉(zhuǎn)換口所能接受的05v電壓信號，送入單片機a/d轉(zhuǎn)換口。軟件在運行過程中，會每隔一段時間進行一次a/d轉(zhuǎn)換，得到反饋電壓值，調(diào)整spwm信號的脈寬，保證輸出電

5、壓的穩(wěn)定。3 軟件設(shè)計pic16f73單片機內(nèi)部含有兩個ccp模塊，都可以用來產(chǎn)生pwm波。對于pwm信號來說，周期和脈寬是兩個必不可少的參數(shù)，pic16f73單片機將pwm周期儲存在pr2寄存器中，而將pwm信號高電平時間值即脈寬值儲存在ccpr1l或ccpr2l寄存器中。內(nèi)部定時器在計數(shù)過程中不斷與這兩個寄存器的值相比較，達到設(shè)定時間時輸出電平產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而控制pwm信號的周期和占空比。spwm信號要求脈寬按正弦規(guī)律變化，因此每一個pwm周期脈寬都要改變，由單片機產(chǎn)生spwm波的基本思想就是在初始化時將pwm周期值設(shè)定，然后用定時器定時，每個周期產(chǎn)生一次中斷，來調(diào)整脈寬，從而得到脈寬

6、不斷變化的spwm波。但實際上，spwm頻率一般都很高，周期很短，要在每一個周期內(nèi)都完成脈寬的調(diào)整比較困難。本系統(tǒng)中，spwm周期為20khz,設(shè)置每六個周期改變一次脈寬，實際輸出spwm信號經(jīng)濾波后所得正弦波如圖6所示，波形光滑無畸變，滿足精度要求。在軟件設(shè)計中，將ccp2模塊作為pwm輸出口，ccp1模塊采用比較功能，單片機時鐘為20mhz,計時步階0.2us。首先建立正弦表，在一個完整正弦周期中，采樣64個點，采樣點正弦值與正弦波峰值的比值就是該點spwm信號的占空比。然后根據(jù)spwm周期計算出各點的脈寬值，轉(zhuǎn)換成計時步階，做成正弦表，供ccp1中斷子程序調(diào)用。這64個點之間的時間間隔也

7、轉(zhuǎn)換成計時步階儲存到 ccpr1h和ccpr1l寄存器中，程序運行過程中， 計數(shù)器timer1不斷和這個寄存器的值相比較，達到設(shè)定值時ccp1產(chǎn)生中斷，timer1重新計時。中斷服務(wù)子程序用來修改spwm信號的占空比，其流程圖如圖2所示。主程序為一個無窮循環(huán)，等待中斷發(fā)生。本程序中共用到了三個中斷：ccp1比較中斷，用來調(diào)整spwm脈寬，中斷周期為306us;t0定時中斷，每隔一段固定的時間進行一次輸出電壓反饋采樣值的a/d轉(zhuǎn)換,在單片機初始化時，將t0的中斷周期設(shè)為153us,產(chǎn)生一次中斷后，將周期改為306us;a/d轉(zhuǎn)換中斷，a/d轉(zhuǎn)換完成產(chǎn)生中斷，處理轉(zhuǎn)換值，中斷周期為20us。在程序

8、開始運行后，首先發(fā)生ccp1中斷，使單片機按正弦表的第一個脈寬值輸出spwm波，153us后，產(chǎn)生t0中斷，進行a/d轉(zhuǎn)換，并將t0中斷周期改306us。 20us后轉(zhuǎn)換完成，產(chǎn)生a/d中斷。然后又是ccp1中斷，讀取a/d轉(zhuǎn)換值和正弦表來調(diào)整脈寬。這樣周而復(fù)始，產(chǎn)生連續(xù)不斷的spwm控制信號。中斷循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。4 實驗結(jié)果及波形由單片機ccp2口輸出的spwm波形如圖5所示，由于頻率為20khz，脈寬很窄，只截取了其中的一段，看不到脈寬從最小變到最大的過程，但可以看出這段波形中脈寬逐漸變窄，符合spwm的變化規(guī)律。經(jīng)rc濾波后得到如圖6所示的正弦波，頻率為49.6hz，與設(shè)計的50hz

9、基本吻合，波形平滑無畸變，滿足設(shè)計要求。本ups系統(tǒng)中，采用的是全橋逆變電路，控制方式是一個橋臂上的兩個igbt互補導通，另一橋臂的兩個一個常開，一個常閉。負半波時，換到另一橋臂的兩個igbt互補導通，原橋臂變?yōu)橐粋€常開，一個常閉。因此需要將單片機產(chǎn)生的一路spwm信號變換成四路，分別驅(qū)動四個igbt。具體實現(xiàn)電路如圖7所示。單片機輸出的spwm信號和正負半波信號分別加到u3d的12和13腳，此圖只畫出了同一個橋臂的兩個igbt的驅(qū)動波形產(chǎn)生電路，另一橋臂的產(chǎn)生電路與此電路完全相同，只是在輸入的正負半波信號前加了一個反相電路，使得不論是正半波還是負半波，橋臂1和橋臂2的u3d的11腳總是一個為

10、spwm信號，另一個為低電平。經(jīng)過后面的電路變換后，為spwm信號的橋臂得到兩路互補輸出的spwm波形，為低電平的橋臂則得到一個持續(xù)的高電平和一個持續(xù)的低電平，從而實現(xiàn)逆變?nèi)珮虻尿?qū)動。由于同一橋臂的兩個igbt互補導通，死區(qū)時間的設(shè)置是必不可少的，否則可能出現(xiàn)橋臂直通現(xiàn)象，導致器件甚至整個電損壞。圖7中的r2、c2就是用來設(shè)定死區(qū)時間的，通過rc電路的沖放電得到一個時間的延遲，再經(jīng)過門電路的處理加到spwm信號波形中。通過改變r、c的大小就可以調(diào)整死區(qū)時間的長短，本電路中電阻取1000歐姆,電容取6.8nf，得到5us的死區(qū)時間。通過電路變換最后得到的逆變橋的四路驅(qū)動波形如圖8所示。igbt驅(qū)

11、動采用低電平有效，由圖可以看出，在同一橋臂上下兩個igbt驅(qū)動波形中，從一個驅(qū)動波形的低電平變到另一個驅(qū)動波形低電平時，有一段兩個信號都為高電平的時間，也就是兩個igbt都不通的死區(qū)時間，防止了逆變橋的直通。5 結(jié) 語本文介紹的這種運用pic單片機產(chǎn)生spwm信號控制逆變橋的方法在ups電源的應(yīng)用中取得了較好的實驗效果。同時，這種產(chǎn)生spwm波的方法也可以用在其他正弦波逆變電源中。機應(yīng)用的日益普及，高新技術(shù)設(shè)備對供電質(zhì)量的要求越來越高，很多設(shè)備都要求電源能夠持續(xù)提供恒頻恒壓、無崎變的純正弦波交流電，不間斷電源ups就是用來給這些設(shè)備供電的。ups一般采用正弦脈寬調(diào)制(spwm)的控制方法將直流

12、電逆變成正弦波交流電。目前，spwm控制波形的產(chǎn)生一般有三種方式：1、用分立元件電路產(chǎn)生，主要由三角波發(fā)生器、正弦波發(fā)生器和比較器組成。分立元件電路復(fù)雜，調(diào)試困難，成本高，可靠性差，因此一般很少采用。2、用專用集成芯片產(chǎn)生，專用集成芯片功能強大，輸出波形質(zhì)量高，應(yīng)用比較廣泛。3、用單片機實現(xiàn)，現(xiàn)在許多單片機都具有產(chǎn)生spwm波的功能，采用單片機可使電路簡單可靠，而且還方便對系統(tǒng)其他數(shù)據(jù)參數(shù)的監(jiān)控、顯示和處理，使整個系統(tǒng)的控制非常的方便。本文就是采用pic16f73單片機產(chǎn)生spwm波來控制ups電源中的逆變系統(tǒng)的。2 硬件電路設(shè)計系統(tǒng)總體硬件框圖如圖1所示：電網(wǎng)輸入交流電經(jīng)整流濾波電路后，變成

13、直流電壓，送入功率因數(shù)校正模塊(pfc)，進行功率因數(shù)校正，并同時進行直流電壓調(diào)整，升壓到360v。另一方面，蓄電池輸出的48v直流電壓經(jīng)過蓄電池升壓電路后得到345v的直流高壓，這兩路直流高壓通過二極管并聯(lián)起來，供給橋式逆變電路。正常工作時，由市電整流所得直流給逆變器供電，而當市電異常時，則自動切換到蓄電池供電。直流電經(jīng)過橋式逆變電路逆變后，再經(jīng)輸出濾波變成220v、50hz純正弦波交流電，供給負載?？刂齐娐芬?microchip公司的pic16f73單片機為核心。pic單片機是采用risc結(jié)構(gòu)的高性價比嵌入式控制器，采取數(shù)據(jù)總線和地址總線分離的harvard雙總線結(jié)構(gòu)，具有很高的流水處理速

14、度。pic16f73最高時鐘頻率為20mhz，每條指令執(zhí)行周期200ns，由于大多數(shù)指令執(zhí)行時間為一個周期，因此速度相當快。其內(nèi)含192字節(jié)的ram ，4k程序存儲器、5路a/d轉(zhuǎn)換及2路pwm波發(fā)生器，應(yīng)用時外圍電路極其簡單，是理想的單相逆變電源數(shù)字控制器。單片機通過內(nèi)部軟件產(chǎn)生一路spwm控制信號，然后經(jīng)過邏輯門變換電路變換成逆變?nèi)珮蛩璧乃穆夫?qū)動信號，再經(jīng)專用驅(qū)動芯片tlp250隔離放大后，分別加到逆變?nèi)珮蛩膫€igbt的柵極，進行驅(qū)動控制。為了提高輸出電壓的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)中采用了電壓反饋閉環(huán)。輸出電壓經(jīng)電阻分壓取樣后，由運算放大電路將電平轉(zhuǎn)換為單片機a/d轉(zhuǎn)換口所能接受的05v電壓信號，

15、送入單片機a/d轉(zhuǎn)換口。軟件在運行過程中，會每隔一段時間進行一次a/d轉(zhuǎn)換，得到反饋電壓值，調(diào)整spwm信號的脈寬，保證輸出電壓的穩(wěn)定。3 軟件設(shè)計pic16f73單片機內(nèi)部含有兩個ccp模塊，都可以用來產(chǎn)生pwm波。對于pwm信號來說，周期和脈寬是兩個必不可少的參數(shù)，pic16f73單片機將pwm周期儲存在pr2寄存器中，而將pwm信號高電平時間值即脈寬值儲存在ccpr1l或ccpr2l寄存器中。內(nèi)部定時器在計數(shù)過程中不斷與這兩個寄存器的值相比較，達到設(shè)定時間時輸出電平產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而控制pwm信號的周期和占空比。spwm信號要求脈寬按正弦規(guī)律變化，因此每一個pwm周期脈寬都要改變，由單

16、片機產(chǎn)生spwm波的基本思想就是在初始化時將pwm周期值設(shè)定，然后用定時器定時，每個周期產(chǎn)生一次中斷，來調(diào)整脈寬，從而得到脈寬不斷變化的spwm波。但實際上，spwm頻率一般都很高，周期很短，要在每一個周期內(nèi)都完成脈寬的調(diào)整比較困難。本系統(tǒng)中，spwm周期為20khz,設(shè)置每六個周期改變一次脈寬，實際輸出spwm信號經(jīng)濾波后所得正弦波如圖6所示，波形光滑無畸變，滿足精度要求。在軟件設(shè)計中，將ccp2模塊作為pwm輸出口，ccp1模塊采用比較功能，單片機時鐘為20mhz,計時步階0.2us。首先建立正弦表，在一個完整正弦周期中，采樣64個點，采樣點正弦值與正弦波峰值的比值就是該點spwm信號的占

17、空比。然后根據(jù)spwm周期計算出各點的脈寬值，轉(zhuǎn)換成計時步階，做成正弦表，供ccp1中斷子程序調(diào)用。這64個點之間的時間間隔也轉(zhuǎn)換成計時步階儲存到 ccpr1h和ccpr1l寄存器中，程序運行過程中， 計數(shù)器timer1不斷和這個寄存器的值相比較，達到設(shè)定值時ccp1產(chǎn)生中斷，timer1重新計時。中斷服務(wù)子程序用來修改spwm信號的占空比，其流程圖如圖2所示。主程序為一個無窮循環(huán)，等待中斷發(fā)生。本程序中共用到了三個中斷：ccp1比較中斷，用來調(diào)整spwm脈寬，中斷周期為306us;t0定時中斷，每隔一段固定的時間進行一次輸出電壓反饋采樣值的a/d轉(zhuǎn)換,在單片機初始化時，將t0的中斷周期設(shè)為1

18、53us,產(chǎn)生一次中斷后，將周期改為306us;a/d轉(zhuǎn)換中斷，a/d轉(zhuǎn)換完成產(chǎn)生中斷，處理轉(zhuǎn)換值，中斷周期為20us。在程序開始運行后，首先發(fā)生ccp1中斷，使單片機按正弦表的第一個脈寬值輸出spwm波，153us后，產(chǎn)生t0中斷，進行a/d轉(zhuǎn)換，并將t0中斷周期改306us。 20us后轉(zhuǎn)換完成，產(chǎn)生a/d中斷。然后又是ccp1中斷，讀取a/d轉(zhuǎn)換值和正弦表來調(diào)整脈寬。這樣周而復(fù)始，產(chǎn)生連續(xù)不斷的spwm控制信號。中斷循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。4 實驗結(jié)果及波形由單片機ccp2口輸出的spwm波形如圖5所示，由于頻率為20khz，脈寬很窄，只截取了其中的一段，看不到脈寬從最小變到最大的過程，但可以看出這段波形中脈寬逐漸變窄，符合spwm的變化規(guī)律。經(jīng)rc濾波后得到如圖6所示的正弦波，頻率為49.6hz，與設(shè)計的50hz基本吻合，波形平滑無畸變，滿足設(shè)計要求。本ups系統(tǒng)中，采用的是全橋逆變電路，控制方式是一個橋臂上的兩個igbt互補導通，另一橋臂的兩個一個常開，一個常閉。負半波時，換到另一橋臂的兩個igbt互補導通，原橋臂變?yōu)橐粋€常開，一個常閉。因此需要將單片機產(chǎn)生的一路spwm信號變換成四路，分別驅(qū)動四個igbt。具體實現(xiàn)電路如圖7所示。單片機