逆變電源設(shè)計(jì)方案

1、基于AVR單片機(jī)的逆變電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案201組 葉曉輝 李欣 陳東針對現(xiàn)代電源變頻調(diào)幅的要求,提出了利用對稱規(guī)則采樣原理產(chǎn)生SPWM 信號,選用ATmega16 單片機(jī),設(shè)置其16 位計(jì)時(shí)器為相位修正PWM 模式產(chǎn)生SPWM 信號,結(jié)合查表及在線計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)幅. 同時(shí)利用其內(nèi)部集成的AD 模塊對逆變橋輸出進(jìn)行采樣并進(jìn)行均值濾波處理,實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的PI 閉環(huán)控制. 采用IR2110 作為驅(qū)動橋,并通過全橋逆變電路及LC 無源濾波實(shí)現(xiàn)正弦波的輸出. 系統(tǒng)加入過溫過流監(jiān)測模塊,并有人機(jī)交互界面（鍵盤和顯示）. 一、SPWM 對稱規(guī)則采樣法對稱規(guī)則采樣法是從自然采樣法演變而來的,它由經(jīng)過采樣的正

2、弦波(實(shí)際上是階梯波) 與三角波相交,由交點(diǎn)得出脈沖寬度. 這種方法只在三角波的頂點(diǎn)或底點(diǎn)位置對正弦波采樣而形成階梯波. 對稱規(guī)則采樣法原理圖如圖1 所示.圖1 對稱規(guī)則采樣法原理圖若以單位量1 代表三角載波的幅值UC ,則正弦調(diào)制波的幅值UR 就是調(diào)制比M. 圖中的三角波和正弦波都是經(jīng)過向上平移單位量1 得到的,與過橫坐標(biāo)軸得到的結(jié)果一致. 利用底點(diǎn)采樣,根據(jù)相似三角形原理,可得關(guān)系式其中：M 是調(diào)制比,0 M 1 ;為正弦信號波角頻率;tD 為在三角波的負(fù)峰對正弦信號波的采樣時(shí)刻;是開通時(shí)刻脈沖寬度;Tc 為三角波載波周期.因此可得開通時(shí)刻的脈沖寬度:其中N 為載波比,2/ N 三角波周期

3、T C 所對應(yīng)的弧度, K 為一個周期內(nèi)采樣計(jì)數(shù)值. 由以上分析得比較單元1 的比較寄存器的值為式中Tt 為通用定時(shí)器1 的時(shí)鐘周期.二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用ATMEL 公司的ATmega16 單片機(jī)作為數(shù)字控制系統(tǒng)的核心,利用ATmega16 產(chǎn)生SPWM 信號并進(jìn)行電壓采樣處理.逆變電源系統(tǒng)主電路采用單相全橋逆變電路,由4 個IGBT 作為功率管組成全橋逆變電路，該電路具有控制方便，功率管利用率高;控制方式采用全數(shù)字的控制方式. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本設(shè)計(jì)電路為單相全橋逆變電路,如圖3所示,主電路是典型的AC-DC-AC 逆變電路. 20V交流電后面接全波整流電路，

4、（橋堆整流，電容濾波）整成直流濾波后約有27VDC左右，然后接一個LM317，用適當(dāng)電阻調(diào)壓就可以得到平滑的12V直流電.然后再由逆變電路將其轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的20V交流電壓！圖3.0 整流濾波電路圖圖3 單項(xiàng)全橋逆變電路 由單片機(jī)對LC 濾波后電壓經(jīng)過整流濾波后進(jìn)行AD 采樣,采樣所得的數(shù)據(jù)輸入到ATmega16 單片機(jī),由A Tmega16 芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并輸出相應(yīng)的SPWM 信號給驅(qū)動電路,控制逆變器的輸出. 對系統(tǒng)工作溫度,電流進(jìn)行監(jiān)測,保護(hù)控制系統(tǒng)電路,設(shè)有鍵盤、控制頻率及幅值,同時(shí)顯示模塊,用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài).此系統(tǒng)的控制核心電路是ATmega16 單片機(jī)電路,主要完成以下2

5、 個方面的工作:1) 輸出SPWM 控制信號到驅(qū)動電路,控制逆變橋的通斷. IR2110 采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動電路的可靠性。;2) 對輸出電壓進(jìn)行AD 采樣. 1） SPWM驅(qū)動電路圖如下：柵極電平箱位電路圖3.1 IR2110驅(qū)動電路2）AD采樣電路圖如下：圖3.2 電壓信號采樣和過壓保護(hù)電路ATmegal6單片機(jī)內(nèi)集成了8通道10位的AD轉(zhuǎn)換器，故采樣得到的電壓信號經(jīng)過前置電路處理后直接送入單片機(jī)中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)如上：反饋電壓的采樣見圖3.2，為使采樣系統(tǒng)與高壓電路隔離，先用分壓比為100：1高精度溫度敏感系數(shù)低的高壓電阻分

6、壓器取樣0500 V的電壓輸出，再經(jīng)霍爾電壓傳感器轉(zhuǎn)換為05 V的輸出。為防止反饋電壓對AD轉(zhuǎn)換器件的沖擊，輸出電壓經(jīng)過LM741同相跟隨器(作緩沖用)后，一路經(jīng)電容去耦接到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換ADO口；另一路輸出電壓通過電壓比較器LM311，與設(shè)定的電壓(電壓值由穩(wěn)壓二極管決定)進(jìn)行比較，一旦輸出電壓高于設(shè)定電壓，LM311輸出便翻轉(zhuǎn)為高電平，接到IR2113的SD端關(guān)斷IR2113的輸出，同時(shí)單片機(jī)內(nèi)部通過軟件關(guān)閉PWM輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的兩級過壓保護(hù)。          電流-電壓變換電路 

7、60;   經(jīng)典電路。輸入電流在R1上產(chǎn)生Uin，由運(yùn)放作為電壓跟隨器輸出，視輸入電流及輸出電壓確定R1，注意精度及溫度系數(shù)。切記調(diào)整運(yùn)放的失調(diào)電壓。將數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理,調(diào)節(jié)輸出,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制. 由于系統(tǒng)不僅輸出SPWM 波,還包含了低次以及高次諧波,為了最終輸入標(biāo)準(zhǔn)正弦波就必須設(shè)置濾波電路,本設(shè)計(jì)采用了LC 濾波電路,如圖4 所示,稱為固定K型低通濾波器. 圖4 LC 濾波電路其截止角頻率為:R 為公稱阻抗,設(shè)截止頻率為f c ,則有:三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分之一是控制電路中SPWM信號的產(chǎn)生,本程序采用了以三角波作為載波、正弦波作調(diào)制波的對稱規(guī)則采樣法,

8、得到一系列幅值相等但寬度不等的矩形波. 矩形波的占空比使用在線計(jì)算的方法.設(shè)N 為載波調(diào)制波比, 即有N = f C/ f R . 其中f C為載波頻率, f R 為調(diào)制波頻率. 本系統(tǒng)利用ATmega16 的T/ C1 產(chǎn)生SPWM 信號,所以載波頻率可由下面的公式計(jì)算:其中,變量N 代表分頻因子(1 、8 、64 、256 或1024) ,f clk_ I/ O是MCU 時(shí)鐘.設(shè)M 為調(diào)制深度, 即有M = UR / UC , 其中UC 為載波幅值,UR 為調(diào)制波幅值. M 一般取值范圍為01. 改變調(diào)制波的幅值,就能使輸出的基波電壓幅值發(fā)生變化.由規(guī)則采樣法的原理,假設(shè)一個周期內(nèi)有N 個

9、矩形波,則第i 個矩形波的占空比Di 為通過設(shè)置ATmega16 的T/ C1 ,利用上述公式計(jì)算出占空比,并與T/ C1 的TOP 值相乘,并形成一個正弦表,然后將數(shù)據(jù)送到比較寄存器OCR1B 中,配置單片機(jī)I/ O 口寄存器,在PD4 口輸出SPWM 信號. 整個SPWM 產(chǎn)生程序流程圖及實(shí)時(shí)反饋圖如圖5,6.常用的正弦調(diào)制法分為同步和異步調(diào)制法. 異步調(diào)制法的輸出波形對稱性差,脈沖相位和個數(shù)不固定;同步調(diào)制法在調(diào)制波的頻率很低時(shí),容易產(chǎn)生不易濾掉的諧波,而當(dāng)調(diào)制波頻率過高時(shí),開關(guān)元件又難以承受. 為得到特性較好的正弦波,軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用了分段同步調(diào)制法,吸收上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn),且很好地克服

10、各自的缺點(diǎn). 其具體操作為:把調(diào)制波頻率分為幾個頻段,在各個頻段內(nèi)保持載波比恒定,而不同頻段的載波比不相同,通過配置單片機(jī)內(nèi)部的載波頻率實(shí)現(xiàn)輸出基波頻率的變化,即改變T/ C1 的TOP 值,即可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能. 選取的原則為:輸出頻率高的頻段采用低載波比,輸出頻率低的頻段采用高載波比. 同時(shí),為了得到嚴(yán)格對稱的雙極性SPWM 信號,載波比選取為3 的倍數(shù). 本系統(tǒng)中將頻段分成五段,具體見表1.軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分之二是輸出電壓的實(shí)時(shí)反饋,由于電網(wǎng)的波動或是負(fù)載的變化,可能導(dǎo)致輸出電壓的不穩(wěn)定,因此在系統(tǒng)中加入PID 增量數(shù)字閉環(huán)控制,以保證輸出電壓的動態(tài)穩(wěn)定特性.根據(jù)單片機(jī)編程需要,將上式做出如下改變:其中Kp = 1/是比例系數(shù), KI = Kp T/ TI 是積分系數(shù), KD = Kp T D / T 是微分系數(shù),結(jié)合PID 閉環(huán)控制與單片機(jī)中的AD 轉(zhuǎn)換功能模塊,可以很好地修正各開關(guān)周期的脈寬,達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定的目的.SPWM 產(chǎn)生程序及輸出電壓的實(shí)時(shí)反饋程序流程圖如圖5 ,6 所示. 圖5 SPWM 產(chǎn)生程序圖6