基于单片机的小功率逆变器的设计与实现-solarbe文库

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２０１２年２月１５日第３５卷第４期现代电子技术ＭｏｄｅｒｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｉｑｕｅＦｅｂ．２０１２Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．４基于单片机的小功率逆变器的设计与实现朱立为，蒋品群，廖志贤（广西师范大学电子工程学院，广西桂林５４１００４）摘要为了提高逆变器的整体性能，以ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ单片机为核心，设计并实现了一个小功率逆变器。通过单片机直接产生脉宽调制波，控制功率开关器件组成的桥电路实现逆变。根据单片机对外部电位器上电压的采样值对输出电压的幅值进行控制，使得输出电压幅度可调。采用数／模电路结合设计，使得逆变器的体积大大减小。硬件上的功能模块化设计，使整个系统的检测性和操控性大大加强。该逆变器电路简单，工作稳定可靠，且易于升级，具有较大的推广应用价值。关键词逆变器；单片机；脉宽调制；功率开关器中图分类号ＴＮ９１１－３４；ＴＭ４６４文献标识码Ａ文章编号１００４－３７３Ｘ（２０１２）０４－０１９２－０３Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｌｏｗ－ｐｏｗｅｒｉｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄｏｎＳＣＭＺＨＵＬｉ－ｗｅｉ，ＪｉａｎｇＰｉｎ－ｑｕｎ，ＬＩＡＯＺｈｉ－ｘｉａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒ，ａｌｏｗ－ｐｏｗｅｒｉｎｖｅｒｔｅｒｔａｋｉｎｇＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ（ＳＣＭ）ａｓａｃｏｒｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．ＴｈｅＳＣＭｄｉｒｅｃｔｌｙｐｒｏｄｕｃｅｓｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄ－ｕｌａｔｉｏｎ（ＳＰＷＭ）ｗａｖｅｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｂｒｉｄｇｅｃｉｒｃｕｉｔｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｐｏｗｅｒｓｗｉｔｃｈｉｎｇｄｅｖｉｃｅｔｏｒｅａｌｉｚｅｉｎｖｅｒｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍ．Ｉｔｃａｎｒｅｇｕｌａｔｅｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓａｍｐｌｉｎｇｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ．Ａｄｉｇｉｌｏｇｕｅｃｉｒｃｕｉｔｗａｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｏｍａｋｅｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒｒｅｄｕｃｅｄｇｒｅａｔｌｙ．Ｔｈｅｍｏｄｕｌａｒｄｅｓｉｇｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅｍａｋｅｓｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｅａｓｙｔｏｔｅｓｔａｎｄｍａｎｉｐｕｌａｔｅ．Ｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒｉｓｓｉｍｐｌｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｅａｓｙｔｏｕｐｇｒａｄｅ．Ｉｔｈａｓａｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄａｐ－ｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｉｎｖｅｒｔｅｒ；ＳＣＭ；ＳＰＷＭ；ｐｏｗｅｒｓｗｉｔｃｈ收稿日期２０１１－０９－２６基金项目广西高校重点建设实验室项目（２００９１２）；广西研究生教育创新计划资助项目（２０１１１０６０２０８０９Ｍ５０）０引言逆变器是将直流电能变换成交流电能的电气装置，通常用大功率高反压电力电子器件来实现［１］。太阳能发电中，光电池阵列所发出的电为直流电。但是，大多数用电设备的供电为交流电，所以电力系统中常需要将直流电变换成交流电的逆变器。此外，逆变器在工业控制、通信、交通等领域的应用也非常广泛。正弦脉宽调制（ＳｉｎｕｓｏｉｄａｌＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＳＰＷＭ），是指以正弦波做调制波（ＭｏｄｕｌａｔｉｎｇＷａｖｅ），以Ｆ倍于正弦调制波频率的三角波做载波（ＣａｒｒｉｅｒＷａｖｅ），进行波形比较后产生一组幅值相等、宽度正比于正弦调制波的矩形脉冲序列，来等效正弦调制波［２］。本文以ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ单片机为核心，利用其内部两路可编程计数阵列（ＰＣＡ）模块来模拟脉宽调制法［３］，设计并实现了一个输出电压幅值可调的小型逆变器。１系统硬件设计本文使用ＡｌｔｉｕｍＤｅｓｉｇｎｅｒ６．９完成硬件电路原理图和ＰＣＢ图的设计。图１是该设计的总体电路结构图。图１电路结构图该设计实现的功能是将６Ｖ的直流电通过三级功率变换（ＤＣ－ＨＦＡＣ－ＤＣ－ＬＦＡＣ）得到频率为５０Ｈｚ，幅度为１１０Ｖ的工频交流电以供交流负载使用。现将硬件电路各部分的具体设计和功能作如下描述。１．１电源模块使用直流到直流变换芯片ＭＣ３４０６３与ＬＭ７８０５和ＬＭ７８１２组合得到１２Ｖ和５Ｖ的直流电，为硬件电路的各模块提供所需电源。１．２前级升压模块通过ＳＧ３５２５芯片与其外围电路产生两路互补的高频ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）脉冲波，用这两路高频脉冲波分别控制由两个ＭＯＳ（ＩＲＦ３２０５）管组成的单边桥高频逆变器，并与高频变压一起实现前级升压。通过前级升压，把６Ｖ的直流电升到３００Ｖ左右的高频交流电，为后面的工频逆变做准备。１．３整流器与滤波模块４个二极管组成整流桥电路对前级升压模块输出的高频交流电进整流，并且经过ＬＣ滤波器进行滤波作为工频逆变桥电路的输入。１．４工频逆变器ＭＯＳ桥电路驱动模块该设计中驱动工频逆变器桥的４个ＭＯＳ管使用ＩＲ２１１０芯片来完成。单片机产生的两路ＳＰＷＭ控制信号经过死区时间［４］后作为２片ＩＲ２１１０的逻辑输入。用２片ＩＲ２１１０芯片组成的驱动电路输出４路两两互补的信号，从而控制全桥逆变电路的上、下桥臂的通断［５－６］，实现逆变功能。１．５ＳＰＷＭ产生模块以ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ单片机为核心构建的最小系统，作为模块的控制部分。同时增加一个模／数转换电路，通过读取电位器上的电压值，实现逆变器输出幅值可调［７］。两路ＳＰＷＭ信号由ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ单片机ＰＣＡ模块输出端Ｐ１．３口和Ｐ１．４口。其原理是用正弦表数据去设置ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ单片机ＰＣＡ模块的比较寄存器的值确来模拟脉宽调制法，最终获得宽度正比于正弦调制波的矩形脉冲序列来等效正弦调制波。产生两路ＳＰＷＭ波的原理如图２所示。图２两路ＳＰＷＭ波形产生原理图２系统软件设计该设计的控制芯片是宏晶公司的ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ单片机，它的内部有两路ＰＣＡ模块。预先通过Ｍａｔｌａｂ计算出标准的工频交流电的正弦表，以数组的形式存放在单片机内部扩展数据存储器中。然后利用这个数据表去动态地设置ＰＣＡ模块比较寄存器的值，实现计数周期动态改变［８］，输出的高电平脉冲宽度随正弦规则变化［９］。主程序流程图如图３所示，ＰＣＡ中断子程序流程图如图４所示。３系统测试３．１ＳＰＷＭ波形产生模块测试以单片机为核心构成的ＳＰＷＭ波形产生模块通过程序控制运行后，可以得到两路互补的ＳＰＷＭ波形，如图５所示。用示波器截取了模块的单路ＳＰＷＭ几个细节片段图，如图６所示，脉宽是不断变化的。图３主程序流程图图４中断子程序流程图３．２整体的系统测试在输入端输入５Ｖ的直流电，经过系统逆变以后，可以在系统的输出端得到有效值为１１０Ｖ，频率为５０Ｈｚ的交流电。输出电压经示波器探头衰减１０倍以后接入示波器，得到如图７所示图形。示波器的另一路输入是检测全桥电路的左上桥臂的ＳＰＷＭ波形，而另一路刚好对应右上桥臂。３９１第４期朱立为，等基于单片机的小功率逆变器的设计与实现图５两路互补ＳＰＷＭ波形图６ＳＰＷＭ细节图图７系统输出波形图４结语该设计基于单片机控制的数／模混合电路的实现，使得整个硬件电路的体积大大减小。由于数字单片机的引入，可控性大大增强。参考文献［１］陈道炼．静止变流器［Ｍ］．哈尔滨哈尔滨工业大学出版社，２００４．［２］刘凤君．环保节能型Ｈ桥及ＳＰＷＭ直流电源式逆变器［Ｍ］．北京电子工业出版社，２０１０．［３］钱慧芳，毛惠丰，陈增禄．ＳＰＷＭ面积中心等效法研究［Ｊ］．电气应用，２００５，２４（３）１０３－１０５．［４］王效华，牛思先．基于单片机ＰＷＭ控制技术的实现［Ｊ］．武汉理工大学学报，２０１０，３２（１）９４－９８．［５］吴振宇，耿兴华，冯林，等．基于ＤＳＰ的单相光伏并网逆变器的设计［Ｊ］．电力电子技术，２０１１，４５（５）１６－１８．［６］蒋林，肖伟，珍玛曲宗，等．基于ＩＲ２１０１最大功率跟踪逆变器的设计与实现［Ｊ］．电子设计工程，２０１０（１１）２７－２９．［７］刘黎．用单片机产生ＳＰＷＭ及制作小功率ＵＰＳ［Ｊ］．中南民族大学学报自然科学版，２００２，２１（１）４８－５３．［８］唐中燕．基于单片机的单相ＳＰＷＭ变频器的设计［Ｊ］．电机电器技术，２００４（４）３５－３７．［９］徐育辉，高仲合．基于ＡＴ８９Ｃ５２单片机控制的逆变器检测系统［Ｊ］．微计算机信息，２００５，２１（２）１４１－１４７．作者简介朱立为男，１９８４年出生，湖南郴州人，硕士研究生。主要研究方向为电路与系统。蒋品群男，１９７０年出生，广西全州人，博士，副教授。主要研究方向为电路与系统檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶。（上接第１８７页）４结语光轴稳定平台在军用、警用、民用等领域获得了大量的应用。以ＤＳＰ为核心的稳定平台控制电路设计已成为主流趋势。本文中，使用了数字处理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２实现了对平台各传感器信息的数据处理及控制回路的数字仿真，极大的降低了控制电路的复杂度，提高了可靠性。该控制电路不仅满足了系统高速、高精度的要求，同时也为一些复杂的、先进的控制算法的探索和使用提供了一个物理平台。参考文献［１］杨景照，刘政华．二维观瞄仪稳定平台控制系统设计与仿真［Ｊ］．机电工程，２００９（１１）８０－８２．［２］姚秀娟，张永科，彭晓乐，等．速率陀螺稳定电视导引头平台数字控制器设计［Ｊ］．电光与控制，２００６，１３（３）７５－７７．［３］邓志平，张永科，彭晓乐．基于ＤＳＰ的导引头伺服平台控制器系统电源设计［Ｊ］．现代电子技术，２００８，３１（１８）４１－４４．［４］沈宏海，刘晶红，张葆，等．航空光电成像平台角位置陀螺和角速率陀螺的稳定效果分析［Ｊ］．光学精密工程，２００７（８）１２９３－１２９９．［５］苏奎峰，吕强，耿庆锋．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２原理与开发［Ｍ］．北京电子工业出版社，２００５．［６］孟凡涛，梁淼．全数字交流伺服系统中旋转变压器信号的处理［Ｊ］．电力电子技术，２００２，３６（１）５１－５３．［７］关星，王伟力．基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２多通道缓冲串口高速实时数据采集接口设计［Ｊ］．自动化技术与应用，２００７（１）１２５－１２８．［８］邓星钟，周祖德，邓坚．机电传动控制［Ｍ］．武汉，华中理工大学出版社，１９９８．作者简介杨萍女，１９７９年出生，山西晋中人，工程师。主要从事稳定平台伺服控制技术研究工作。４９１现代电子技术２０１２年第３５卷