單片機控制的簡易單相逆變電源

摘要：文章介紹了用AT89C1051單片機控制的單相逆變器電源的設計文字，該方案通過消諧PWM控制可使逆變電源的輸出諧波明顯減少，并經小容量的高通濾波后即可得到高質量的正弦波電壓輸出。該電源通過單相電機的運行試驗證明，效果良好，而且結構簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定可靠，具有一定的實用價值。

關鍵詞：逆變電源 消諧控制 單片機 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，單相逆變電源的結構較三相電源簡單，PWM控制也更為方便，因而在單片機的控制下實現(xiàn)PWM的調節(jié)策略十分有效。然而，從控制系統(tǒng)的結構和硬件成本方面應考慮采用什么控制算法才能使逆變電源的性能價格比最優(yōu)。在眾多的PWM控制策略中，人們已普遍認為消諧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化，本文給出了利用AT89C1051小型單片機的內部資源，通過離線消諧PWM控制，來實現(xiàn)單相逆變電源的PWM調制，以有效降低輸出電壓諧波的一種簡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波形的富氏級數(shù)得到的[2]。設逆變電源輸出PWM波形在四分之一周期內有N個開關切換點，每個開關切換點對應的相位角分別為：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關切換角，如將此切換角轉化為單片機的定時計數(shù)脈沖數(shù)據(jù)表保存在程序存儲器中，便可供實時控制時查詢。若用此開關數(shù)據(jù)在單片機中作定時控制，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)的結構原理如圖1所示。單相交流電源經過EMI線濾波器后，再經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的控制下，經過單片橋式逆變電路逆變后，可輸出略含諧波的交流電。由于本設計采用消諧控制，因而其低階諧波值為0，且只存在高次諧波分量，這樣，在經過一級小容量的LC濾波網絡后，即可在輸出端獲得較為理想的正弦波輸出電壓。

以單片機為主的控制系統(tǒng)主要用來產生逆變電路開關器件的驅動信號，并通過對線路電壓和電流的實時采樣來實現(xiàn)調節(jié)和保護。單片機則根據(jù)輸出頻率代碼指令來確定應選擇的消諧PWM控制數(shù)據(jù)，并按此規(guī)定的PWM控制數(shù)據(jù)實現(xiàn)內部定時控制，同時對開關器件進行切換以實現(xiàn)消諧控制。另外，該控制系統(tǒng)還可實時監(jiān)視直流母線電壓和電流的大小以實現(xiàn)過壓、欠壓、過流、短路等保護。一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)立即封鎖逆變電路的驅動信號而使逆變電源停止工作。

4 控制軟件的設計

該逆變電源控制系統(tǒng)以AT89C1051為主控制芯片，它是一個20腳的小型CPU，有15根I/O線、1個16位定時器、1k×64bit存儲器，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作為驅動信號輸出端，分別用于驅動逆變電路的1～4號MOSFET開關管。P1.4的輸出經反相后作為驅動封鎖信號，當CPU在初始復位狀態(tài)時，由于P1口為高電平，因而驅動信號被封鎖，這樣就避免了四個驅動信號出現(xiàn)全“1”使開關管全導通而導對致的短路故障。為了簡化控制系統(tǒng)，本文在電路上只對直流母線電壓和電流進行監(jiān)控。當電壓或電流超過閾值時，系統(tǒng)立刻發(fā)出故障信號。并對此故障信號（過壓、欠壓、過流）進行邏輯與運算后，送CPU的外部中斷請求引腳INT0以向單片機發(fā)生中斷申請，同時該信號再由P1.5～P1.7輸入單片機以便于單片機查詢故障類型。

逆變電源控制軟件由主程序、定時器T0中斷服務程序和外部中斷服務程序三部分組成，在主程序中初始化單片機的工作方式，并采樣逆變電源輸出頻率指令。當頻率發(fā)生變化時，置頻率變化標志，以便于定時器中斷服務程序能夠按新的開關切換角數(shù)據(jù)進行定時并實現(xiàn)驅動信號的切換。定時器T0中斷服務程序主要完成對開關切換角數(shù)據(jù)的定時及其相應驅動信號的輸出，以完成消諧PWM控制。外部中斷服務程序主要負責處理逆變電源的故障保護，當故障中斷請求發(fā)生時，單片機響應中斷并再次查詢是否確有故障發(fā)生，若確有故障，則封鎖驅動信號，并輸出故障代碼。整個控制軟件流程如圖2所示。

5 逆變電源的試驗結果

筆者按照上述設計思想研制了一臺小型逆變電源裝置，并用來驅動150W/220V單相電機，其結果十分滿意。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條件下同開關角個數(shù)時的電流波形。結果發(fā)現(xiàn)：開關角個數(shù)較少時，電流脈動較大，相應地諧波含量也大；當開關角個數(shù)增加時，電流脈動減小，波形質量得到明顯改善。由此可見，該方法設計的逆變電源具有良好的輸出波形質量。

6 結論

通過上述分析與試驗，筆者認為：本文提出的用AT89C1051單片機實現(xiàn)單相逆變電源的消諧PWM控制方法是完全可行的。它不僅具有較為簡單的電路結構和控制過程，而且所需的單片機資源很少。它僅通過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，是一種切實可行的單相逆變電源實現(xiàn)方案。