基于AVR 單片機(jī)的數(shù)字正弦逆變電源設(shè)計(jì)

摘要：提出一種高性能的直流-交流（DC-AC）數(shù)字式正弦逆變電源的設(shè)計(jì)方法。采用SG3525A 與AVR 系列單片機(jī)AT90PWM2 作為控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。SG3525A 產(chǎn)生PWM 波進(jìn)行前端的推挽升壓控制，通過直流母線上高電壓的負(fù)反饋，使得全橋逆變的輸入電壓保持穩(wěn)定。AT90PWM2 的波形發(fā)生器產(chǎn)生SPWM 波形對(duì)后級(jí)全橋逆變進(jìn)行控制，通過采樣全橋逆變后的輸出電流以及輸出電容電壓，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制，使得逆變電源在各種不同類型負(fù)載條件下都能具備良好的輸出特性以及負(fù)責(zé)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1 kW 樣機(jī)性能穩(wěn)定，逆變效率大于90%，在不同種類的滿功率的負(fù)載條件下均能保持電壓精度為220 V±1%，頻率精度50 Hz±0.1%，THD 小于1%。

　　逆變電源應(yīng)用廣泛，特別是精密儀器對(duì)逆變電源性能要求更高。好的逆變電源不僅要求工作穩(wěn)定、逆變效率高、輸出的波形特性好、瞬態(tài)響應(yīng)特性好，還要求逆變電源小型化、智能化、并且具備可擴(kuò)展性。因此，這里提出一種基于AVR 系列單片機(jī)AT90PWM2 的數(shù)字正弦逆變電源， 前級(jí)SG3525A采用PWM 控制升壓電路實(shí)現(xiàn)輸入和過熱保護(hù)。后級(jí)單片機(jī)AT90PWM2 使用單極性倍頻SPWM 控制方式進(jìn)行全橋逆變，且進(jìn)行輸出保護(hù)。

　　1 總體設(shè)計(jì)及工作原理

　　逆變電源的系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示，系統(tǒng)的主電路采用前級(jí)推挽升壓和后級(jí)全橋逆變的2 級(jí)結(jié)構(gòu)[2]，這樣可以避免使用工頻變壓器，有效降低電源的體積和質(zhì)量，提高逆變效率。其工作原理為：12 V 的直流輸入電壓經(jīng)過濾波后推挽升壓和全橋整流升壓到350 V 的直流母線電壓，再經(jīng)過全橋逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V/50 Hz 的工頻交流電。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

　　為了減小輸入電壓的影響，采樣全橋整流后的輸出電壓作為反饋電壓來控制前級(jí)推挽升壓電路的控制器， 調(diào)節(jié)SG3525A 輸出PWM 波形的占空比， 使得直流母線的電壓始終保持在350 V。同時(shí)采樣輸出濾波電容上的電壓和輸出濾波電感上電流，采用電壓電流雙環(huán)控制，調(diào)節(jié)后級(jí)全橋逆變電路的SPWM 的輸出，從而得到良好的輸出波形特性以及穩(wěn)定的負(fù)載特性。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 推挽升壓PWM 波形的產(chǎn)生

　　直流升壓電路采用推挽式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。電路中的功率管VQ1，VQ2通過SG3525A outputA，outputB 交替產(chǎn)生的2 路互補(bǔ)PWM 波來控制通斷。SG3525A 可以通過調(diào)節(jié)外接的電阻和電容來產(chǎn)生100 Hz～500 kHz 之間的不同頻率段的PWM 波形，其PWM 波的頻率fPWM和外接電阻RT，RD，外接電容CT關(guān)系為：

　　SG3525A 通過反饋的直流母線電壓可自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM 波的占空比，使得輸出穩(wěn)定。同時(shí)SG3525A 具有電壓的輸入欠壓鎖定和PWM 鎖定功能，一旦發(fā)生過流或者過壓的現(xiàn)象，可以迅速關(guān)斷PWM，保證了整個(gè)電路的安全性。

　　2.2 全橋逆變SPWM 波形的產(chǎn)生

　　SPWM 波形由AVR 單片機(jī)系列的AT90PWM2 產(chǎn)生。AT90PWM2 具有2 個(gè)12 位的波形發(fā)生器PSC0，PSC2， 分別產(chǎn)生2 路互補(bǔ)的SPWM 信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后驅(qū)動(dòng)全橋逆變中的功率管。其中PSC0 生成為VQ3和VQ4的控制信號(hào)，PSC2 生成VQ5和VQ6的控制信號(hào)。

　　選擇PSC 工作在中心對(duì)齊模式， 并且PSC0 和PSC2 工作在同步狀態(tài)。則PSC 計(jì)數(shù)器從寄存器OCRnRB 定義的最大值開始計(jì)數(shù)，先減到零再加到最大值，當(dāng)PSC 計(jì)數(shù)器的值與寄存器OCRnSB，OCRnSA 的值相等時(shí)， 則將分別改變PSCn輸出引腳PSCOUTn0、PSCOUTn1 的電平。其三角波載波周期

　　fSPWM和PSC 計(jì)數(shù)頻率fPSC以及寄存器OCRnRB、OCRnRA（n=0或2）的關(guān)系為: