基于PIC單片機的逆變電路設(shè)計初探

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，電源質(zhì)量越來越成為各種電氣設(shè)備正常和良好工作的基礎(chǔ)。電源技術(shù)領(lǐng)域的一個持續(xù)的研究課題即是研究作為電子信息產(chǎn)業(yè)命脈的電源的可靠性和穩(wěn)定性。

而逆變器作為電源的核心部分，其調(diào)制技術(shù)很大程度上決定了電源輸出電壓的質(zhì)量。目前最常用的調(diào)制技術(shù)是正弦脈寬調(diào)制(SPWM)。隨著單片機的出現(xiàn)及其廣泛應(yīng)用，智能化控制方法已經(jīng)逐漸替代傳統(tǒng)的分立元件電路產(chǎn)生方法或是專用芯片產(chǎn)生方法。智能化逆變電源的優(yōu)勢在于它不僅能實現(xiàn)調(diào)制信號的輸出，還為系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)的監(jiān)控、處理及顯示提供接口。同時它與現(xiàn)代計算機技術(shù)更好地結(jié)合產(chǎn)生了故障自診斷和自我保護功能，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在充分考慮工業(yè)控制成本及穩(wěn)定性要求的前提下，本設(shè)計采用PIC單片機作為控制核心，再輔助相關(guān)外部電路，組成一個具有穩(wěn)定和智能化等優(yōu)點的逆變電源控制系統(tǒng)。

一、具體電路設(shè)計

單相橋式逆變電路如圖1所示。[1]電路正常工作情況下，兩對開關(guān)管需要兩組相位相反的驅(qū)動脈沖分別控制，使VT1、VT4同時通斷和VT2、VT3同時通斷。輸入直流電壓為220VAC,逆變器的負載為R.當(dāng)開關(guān)VT1、VT4接通，VT2、VT3斷開時時，電流流過VT1、R和VT4,負載上的電壓極性是左正右負;當(dāng)開關(guān)VT1、VT4斷開，VT2、VT3接通時，電流流過VT2、R和VT3,負載上的電壓極性反向，直流電即轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。若要改變輸出交流電頻率，改變兩組開關(guān)的切換頻率即可，繼而得到正負半周對稱的交流方波電壓。負載為純阻型時，負載電流電壓波形相同，相位也相同;負載為感性時，電流滯后于電壓，二者波形不同。輸出為相當(dāng)于三個差120°相位的單相逆變電路的疊加，即三相逆變，其原理不再贅述。

圖1 單相橋式逆變電路

二、產(chǎn)生PWM波芯片選擇

本設(shè)計電路為單相全橋逆變電路，其主電路是典型的DC-AC逆變電路。由單片機對LC濾波后的電壓進行AD采樣，把所得的數(shù)據(jù)輸入到PIC16F873單片機，由PIC16F873單片機芯片對數(shù)據(jù)進行處理，并輸出相應(yīng)的SPWM信號給IR2136驅(qū)動電路，控制逆變電路的開關(guān)管通斷，從而控制逆變器的輸出，調(diào)節(jié)電流監(jiān)測系統(tǒng)的工作溫度，保護控制系統(tǒng)電路。另設(shè)有鍵盤、控制頻率及幅值，同時顯示模塊，用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

PIC16F873單片機電路是此系統(tǒng)的控制核心電路，主要發(fā)揮以下兩個方面的作用：為驅(qū)動電路提供SPWM控制信號，控制逆變橋的通斷;對輸出電壓進行AD采樣。

集成電路IR2136芯片主要作用是產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)電平來控制逆變電路的開關(guān)管通斷，從而控制逆變器的輸出。除此以外，由于系統(tǒng)輸出的不僅有SPWM波，還包含低次以及高次諧波。本設(shè)計采用了LC濾波電路以達到最終輸入標(biāo)準(zhǔn)正弦波的目的。

ω=2R/L為其截止角頻率，R為公稱阻抗，設(shè)截止頻率為fc,則有：

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的核心部分是SPWM信號的產(chǎn)生。本設(shè)計采用三角波作為載波、正弦波作調(diào)制波的對稱規(guī)則采樣法較為經(jīng)典，得到一系列幅值相等但寬度不等的矩形波。然后使用在線計算的方法計算矩形波的占空比：

設(shè)N為載波調(diào)制波比，即有N=fc/fr.其中fc為載波頻率，fr為調(diào)制波頻率。本系統(tǒng)的SPWM信號由單片機產(chǎn)生，故載波頻率可由下式計算：

其中，變量N代表分頻因子(1、8、64、256或1024)，fclki/o是MCU時鐘。

設(shè)M=UR/UC,為調(diào)制深度，其一般取值范圍為0~1,其中UC為載波幅值，UR為調(diào)制波幅值。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。

根據(jù)規(guī)則采樣法的原理，假設(shè)一個周期內(nèi)有N個矩形波，則第i個矩形波的占空比Di為：

通過設(shè)置單片機，利用上述公式計算出占空比使之與計數(shù)器的TOP值相乘形成一個正弦表。然后將數(shù)據(jù)送到比較寄存器中，配置單片機I/O口寄存器，在PD4口輸出SPWM信號。整個SPWM產(chǎn)生程序流程圖及實時反饋圖如圖2:

圖2 SPWM 產(chǎn)生程序框圖