單片機(jī)控制的簡(jiǎn)易單相逆變電源

摘要：文章介紹了用AT89C1051單片機(jī)控制的單相逆變器電源的設(shè)計(jì)文字，該方案通過(guò)消諧PWM控制可使逆變電源的輸出諧波明顯減少，并經(jīng)小容量的高通濾波后即可得到高質(zhì)量的正弦波電壓輸出。該電源通過(guò)單相電機(jī)的運(yùn)行試驗(yàn)證明，效果良好，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定可靠，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：逆變電源 消諧控制 單片機(jī) AT89C1051

1 概述

消除輸出電壓諧波是逆變電源PWM控制的主要目的之一。在此方面，單相逆變電源的結(jié)構(gòu)較三相電源簡(jiǎn)單，PWM控制也更為方便，因而在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)PWM的調(diào)節(jié)策略十分有效。然而，從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件成本方面應(yīng)考慮采用什么控制算法才能使逆變電源的性能價(jià)格比最優(yōu)。在眾多的PWM控制策略中，人們已普遍認(rèn)為消諧PWM控制器是一種最佳的控制策略[1]。為了使控制電路盡可能地簡(jiǎn)化，本文給出了利用AT89C1051小型單片機(jī)的內(nèi)部資源，通過(guò)離線消諧PWM控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)單相逆變電源的PWM調(diào)制，以有效降低輸出電壓諧波的一種簡(jiǎn)易的單相逆變電源解決方案。

2 消諧PWM控制方程

消諧PWM控制方程是根據(jù)逆變器輸出PWM波形的富氏級(jí)數(shù)得到的[2]。設(shè)逆變電源輸出PWM波形在四分之一周期內(nèi)有N個(gè)開(kāi)關(guān)切換點(diǎn)，每個(gè)開(kāi)關(guān)切換點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位角分別為：α（i=1,2,…，N），且有0≤α1α2…αN≤90°，則在單相極性PWM控制條件下，有：

如果逆變器輸出基波電壓幅值與輸入直流母線電壓的比為M，則消諧方程為：

令，則上式可寫成如下形式：

求解上述方程即可得到一組開(kāi)關(guān)切換角，如將此切換角轉(zhuǎn)化為單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)脈沖數(shù)據(jù)表保存在程序存儲(chǔ)器中，便可供實(shí)時(shí)控制時(shí)查詢。若用此開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)在單片機(jī)中作定時(shí)控制，則輸出電壓中不含前2N-1次低階諧波。

3 逆變電源及其控制系統(tǒng)

本逆變電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。單相交流電源經(jīng)過(guò)EMI線濾波器后，再經(jīng)單相橋式整流和大電容濾波后可在直流母線上獲得穩(wěn)定的直流電壓。該直流電壓在單片機(jī)的控制下，經(jīng)過(guò)單片橋式逆變電路逆變后，可輸出略含諧波的交流電。由于本設(shè)計(jì)采用消諧控制，因而其低階諧波值為0，且只存在高次諧波分量，這樣，在經(jīng)過(guò)一級(jí)小容量的LC濾波網(wǎng)絡(luò)后，即可在輸出端獲得較為理想的正弦波輸出電壓。

以單片機(jī)為主的控制系統(tǒng)主要用來(lái)產(chǎn)生逆變電路開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)對(duì)線路電壓和電流的實(shí)時(shí)采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和保護(hù)。單片機(jī)則根據(jù)輸出頻率代碼指令來(lái)確定應(yīng)選擇的消諧PWM控制數(shù)據(jù)，并按此規(guī)定的PWM控制數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部定時(shí)控制，同時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行切換以實(shí)現(xiàn)消諧控制。另外，該控制系統(tǒng)還可實(shí)時(shí)監(jiān)視直流母線電壓和電流的大小以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路等保護(hù)。一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)立即封鎖逆變電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而使逆變電源停止工作。

4 控制軟件的設(shè)計(jì)

該逆變電源控制系統(tǒng)以AT89C1051為主控制芯片，它是一個(gè)20腳的小型CPU，有15根I/O線、1個(gè)16位定時(shí)器、1k×64bit存儲(chǔ)器，是一種成本低、集成度高的MCU芯片。本文利用其P1口的P1.0～P1.3作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，分別用于驅(qū)動(dòng)逆變電路的1～4號(hào)MOSFET開(kāi)關(guān)管。P1.4的輸出經(jīng)反相后作為驅(qū)動(dòng)封鎖信號(hào)，當(dāng)CPU在初始復(fù)位狀態(tài)時(shí)，由于P1口為高電平，因而驅(qū)動(dòng)信號(hào)被封鎖，這樣就避免了四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)全“1”使開(kāi)關(guān)管全導(dǎo)通而導(dǎo)對(duì)致的短路故障。為了簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，本文在電路上只對(duì)直流母線電壓和電流進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)電壓或電流超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)立刻發(fā)出故障信號(hào)。并對(duì)此故障信號(hào)（過(guò)壓、欠壓、過(guò)流）進(jìn)行邏輯與運(yùn)算后，送CPU的外部中斷請(qǐng)求引腳INT0以向單片機(jī)發(fā)生中斷申請(qǐng)，同時(shí)該信號(hào)再由P1.5～P1.7輸入單片機(jī)以便于單片機(jī)查詢故障類型。

逆變電源控制軟件由主程序、定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序和外部中斷服務(wù)程序三部分組成，在主程序中初始化單片機(jī)的工作方式，并采樣逆變電源輸出頻率指令。當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí)，置頻率變化標(biāo)志，以便于定時(shí)器中斷服務(wù)程序能夠按新的開(kāi)關(guān)切換角數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的切換。定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序主要完成對(duì)開(kāi)關(guān)切換角數(shù)據(jù)的定時(shí)及其相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，以完成消諧PWM控制。外部中斷服務(wù)程序主要負(fù)責(zé)處理逆變電源的故障保護(hù)，當(dāng)故障中斷請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，單片機(jī)響應(yīng)中斷并再次查詢是否確有故障發(fā)生，若確有故障，則封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并輸出故障代碼。整個(gè)控制軟件流程如圖2所示。

5 逆變電源的試驗(yàn)結(jié)果

筆者按照上述設(shè)計(jì)思想研制了一臺(tái)小型逆變電源裝置，并用來(lái)驅(qū)動(dòng)150W/220V單相電機(jī)，其結(jié)果十分滿意。另外，筆者還利用TDS220數(shù)字示波器記錄了該單相逆變電源在50Hz條件下同開(kāi)關(guān)角個(gè)數(shù)時(shí)的電流波形。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：開(kāi)關(guān)角個(gè)數(shù)較少時(shí)，電流脈動(dòng)較大，相應(yīng)地諧波含量也大；當(dāng)開(kāi)關(guān)角個(gè)數(shù)增加時(shí)，電流脈動(dòng)減小，波形質(zhì)量得到明顯改善。由此可見(jiàn)，該方法設(shè)計(jì)的逆變電源具有良好的輸出波形質(zhì)量。

6 結(jié)論

通過(guò)上述分析與試驗(yàn)，筆者認(rèn)為：本文提出的用AT89C1051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)單相逆變電源的消諧PWM控制方法是完全可行的。它不僅具有較為簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)和控制過(guò)程，而且所需的單片機(jī)資源很少。它僅通過(guò)消除低階諧波和小容量的高通濾波器即可在逆變電源的輸出端獲得較為理想的正弦波電壓，是一種切實(shí)可行的單相逆變電源實(shí)現(xiàn)方案。