基于PIC系列單片機(jī)的SPWM逆變電源

基于PIC系列單片機(jī)的SPWM逆變電源

徐紅麗 羅 奇 湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

本文主要敘述了一種以PIC系列單片機(jī)為基礎(chǔ)的SPWM電源。該電源的電壓為12V，并通過升壓環(huán)節(jié)以及SPWM逆變環(huán)節(jié)，獲得了優(yōu)質(zhì)正弦交流電。該設(shè)計采用開關(guān)電源設(shè)計的原理，在升壓模塊中，采用電壓負(fù)反饋，使得升壓之后的高電壓具有良好的穩(wěn)定性；在逆變部分則采用單片機(jī)的SPWM的控制方式，最大的可能減少諧波。單片機(jī)的數(shù)字化技術(shù)，電源的調(diào)節(jié)更加靈活，性能更好，為儀器設(shè)備提供一種高品質(zhì)的交流電源。

PIC系列單片機(jī)；SPWM逆變電源；系統(tǒng)設(shè)計

引言

高科技的不斷進(jìn)步，對電源的要求也越來越多元化。高品質(zhì)的電源是企業(yè)發(fā)展的重要保障，然而在工業(yè)生產(chǎn)中，如果直接將受污染嚴(yán)重的電源供應(yīng)給企業(yè)，那么無法滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求。本文基于PIC系列的單片機(jī)設(shè)計的SPWM電源可以滿足企業(yè)的多樣化需求。本系統(tǒng)的設(shè)計主要以12V直流電壓輸入，輸出兩種不同頻率的正弦波交流電，每種頻率可以有13種電壓輸出值，可提供的功率范圍可從0達(dá)到200。該系統(tǒng)設(shè)計的直流推挽升壓模塊中，采用電壓負(fù)反饋；在逆變部分則采用SPWM的控制方式；在保護(hù)方式上采用輸入過則采用欠壓保護(hù)的方式。

1.單片機(jī)在市場上的獨(dú)特優(yōu)勢

PIC系列單片機(jī)由美國公司推出，其憑借獨(dú)特的優(yōu)勢在市場上占有一席之地。該美國公司在1989年首次推出第一款8位單片機(jī)，經(jīng)過14年的發(fā)展，其8位單片機(jī)的出貨量已經(jīng)躍居全球首位。該公司出產(chǎn)的單片機(jī)結(jié)構(gòu)并沒有兼容當(dāng)時市場上任何一款單片機(jī)的結(jié)構(gòu)，但在市場上受到如此的歡迎，并且獲得設(shè)計工程師的認(rèn)可，必然有其成功的道理。

該單片機(jī)從結(jié)構(gòu)與設(shè)計上采用的是：總線結(jié)構(gòu)，PIC單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)采用的結(jié)構(gòu)為哈佛結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)類型指令與數(shù)據(jù)空間是完全分開的，一個用于指令，另一個用于數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)程序和數(shù)據(jù)同時訪問，提高了數(shù)據(jù)的吞吐率；精簡指令集結(jié)構(gòu)：指令集少，指令字長為12位、14位和16位，這些字長位數(shù)都屬于單周期，一次取指，所以指令執(zhí)行采用的是兩級流水線結(jié)構(gòu)。這也就是說當(dāng)一條指令被執(zhí)行時，下一條指令同時能夠被取出，直接提高了運(yùn)行速度。寄存器組：PIC系列單片機(jī)的所有的寄存器，包括I/O 口、定時器以及程序技術(shù)器都采用的是RAM結(jié)構(gòu)的形式，這樣只需要一個指令周期就能夠完成訪問以及操作；從使用上，PIC單片機(jī)滿足了MCU不同層次的需求。PIC系列的單片機(jī)總共分為三個系列為基本級、中級以及高級。

基本級系列的產(chǎn)品的特點是低價位，適用于各種對成本要求較低的家電產(chǎn)品；中級系列的產(chǎn)品屬于PIC系列中最豐富的產(chǎn)品系列。這種系列的產(chǎn)品經(jīng)過的改進(jìn)，保持了較高的兼容性，并且其外部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，從8 引腳到 68 引腳的各種封裝均有，該產(chǎn)品的性能較高，其內(nèi)部帶有A/D 變換器、EEPROM 數(shù)據(jù)存儲器等接口。中級系列的產(chǎn)品適用于中高檔的電子產(chǎn)品。再有高級系列的產(chǎn)品，高級系列的產(chǎn)品的主要優(yōu)點是速度快，適用于需要高速數(shù)字運(yùn)算的場合之中，再加上其具備在一個指令周期內(nèi)完成二進(jìn)制的乘法運(yùn)算能力，因此可以取代某些DSP產(chǎn)品，因此能夠在高中檔的電子設(shè)備中使用。

2. 基于PIC系列單片機(jī)的SPWM逆變電源設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

逆變電源的主要電路采用的是推挽升壓和全橋逆變兩級變換兩種方式，如圖1。

該電路的設(shè)計輸入12V的直流電壓，SG3525APWM控制電路，控制高頻交流生成電路中的兩開關(guān)管輪流導(dǎo)通，在變壓器邊形成高頻的交流電壓，并經(jīng)過變壓器的整合，最終在濾波電容上獲得385V的直流電壓。由單片機(jī)PIC16F873A控制IR2110驅(qū)動電路對逆變橋正弦脈寬調(diào)制主電路中的4個開關(guān)管進(jìn)行正弦脈寬調(diào)制，逆變在輸出電壓經(jīng)過電路輸出后，最終在負(fù)載上得到指定頻率與幅的正弦波交流電。

圖1 設(shè)計的硬件系統(tǒng)框圖

該電路采用的高頻電壓器可以實現(xiàn)前后級的隔離，這種隔離有助于系統(tǒng)的安全。而在直流推挽電路中采用電壓反饋提高了系統(tǒng)抵抗輸入干擾的能力，保持系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定。另外如出現(xiàn)欠壓或過壓的情況，電路及時調(diào)整，當(dāng)沒有達(dá)到輸入要求時，SG3525A就會控制系統(tǒng)的升壓級停止工作。

2.1.1 直流升壓電路

因為原邊的電壓較低，因此DC-AC-DC變換采用推挽式電路，推挽式電路使用的開關(guān)器少，變壓器的體積比較小, 輸出功率大. 整流直流輸出穩(wěn)壓選用高頻LC濾波。

PWM控制電路選用SG3525A集成芯片,該集成芯片的OUTA、OUTB管腳交替輸出2路相反的方波脈寬調(diào)制信號，用來控制開關(guān)管的驅(qū)動電路。線路在經(jīng)過變壓器的升壓之后，在經(jīng)全橋整流進(jìn)行LC濾波，平滑供給負(fù)載電流。

2.1.2 SPWM波形電路

SPWM調(diào)制波形的產(chǎn)生主要由單片機(jī)完成。其采用了離線計算占空比、編制成數(shù)值表，在線實時查表，并以逐個周期修改占空比的方法。PIC系列的單片機(jī)性能突出，集合了多種外圍模塊，設(shè)計模塊主要包括TIME2、串行通信與B電平變化中斷模塊等。

2.1.3 逆變電路

在整個電路系統(tǒng)設(shè)計中，逆變主電路的主要組成為IGBT管，驅(qū)動電動則采用了高壓MOS柵極驅(qū)動芯片IR2110。驅(qū)動芯片與傳統(tǒng)芯片的設(shè)計思路完全不同，驅(qū)動芯片主要特征表現(xiàn)為自舉電路，它能夠?qū)崿F(xiàn)全橋電路的IGBT管的驅(qū)動，避免了傳統(tǒng)需要多個獨(dú)立電源的驅(qū)動。

SPWM驅(qū)動控制信號主要負(fù)責(zé)驅(qū)動在對角位置上的IGBT開關(guān)管，讓其同時導(dǎo)通或截止。另外，應(yīng)提前設(shè)置脈沖延時，以保證上下橋臂的短路。下圖為逆變電路的基本構(gòu)成。

2.1.4 IGBT驅(qū)動電路

為了讓系統(tǒng)的電氣性能更好，本系統(tǒng)的設(shè)計采用了帶負(fù)偏壓的IR2110驅(qū)動電路。高壓側(cè)的負(fù)偏壓由C17、D18、R14產(chǎn)生。低壓側(cè)負(fù)偏壓的實現(xiàn)則通過逆變主電路的低壓端配合。兩路負(fù)偏置為負(fù)5.1V,選擇了小電流的齊納二極管。經(jīng)過實驗比較發(fā)現(xiàn)，帶負(fù)偏壓的驅(qū)動電路的關(guān)斷效果得到了很大的提升。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 設(shè)計構(gòu)思

根據(jù)調(diào)制波與三角載波的對稱規(guī)則采樣原理計算出每一個開關(guān)器件在一個周期內(nèi)的通斷時刻，之后根據(jù)脈沖的寬度制作成數(shù)值表，并保存在單片機(jī)的存儲器之中。當(dāng)機(jī)器啟動之后，程序執(zhí)行查表，之后根據(jù)數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)的脈沖，在經(jīng)過硬件的驅(qū)動電路得到逆變橋開關(guān)管的脈沖，以來驅(qū)動逆變橋工作。

2.2.2 SPWM波形主程序

首先執(zhí)行初始化程序，設(shè)置定時器、中斷應(yīng)用等特殊功能寄存器，之后進(jìn)入到SPWM程序中。

定時器溢出表示一個工作周期的結(jié)束，之后重新計時，程序重新運(yùn)行。在定時器運(yùn)行的過程中，主程序?qū)ο乱粋€運(yùn)行周期的PWM占空比進(jìn)行修改。

在程序中為了減小數(shù)值表的規(guī)模，但是在減少規(guī)模的情況下又不影響整個的控制效果?？梢愿鶕?jù)正弦波的對稱性對數(shù)值進(jìn)行簡單的處置，只需要原來的四分之一的占空比值就能夠完成整個周期的控制，縮小數(shù)值規(guī)模達(dá)四倍。

圖2 逆變主電路圖

3.實驗調(diào)試與結(jié)果

3.1 直流推挽升壓電路

核心為SG3525A的PWM控制電路采用的控制方式為負(fù)反饋。反饋系數(shù)發(fā)生了改變的情況下，PWM的控制波形的占空比也會發(fā)生變化，直流高壓的輸出也會產(chǎn)生相應(yīng)的改變。反饋系數(shù)跟PWM控制波形的占空比成反比。

3.2 調(diào)試結(jié)果

SPWM由單片機(jī)的CCP1腳與CCP2腳送出，頻率值與電壓值的改變，也會造成波形周期與占空比的改變。設(shè)置頻率為60Hz,電壓為150 V互補(bǔ)的SPWM波形可參照下圖。

圖3 SPWM波形

IGBT驅(qū)動電路與逆變主電路的調(diào)試結(jié)果如下：PIC單片機(jī)發(fā)出的SPWM波形，在途經(jīng)IGBT橋時，若不加LC濾波，那么橋電路交流側(cè)得到的SPWM的波形為雙極性的，若加上LC濾波的情況下，那么得到的波形為正弦波形。

從上面得到的兩個波形可以看出，在頻率相同的情況下，若電壓值較小則波形線較粗，若電壓值較大，則波形線較細(xì)。這主要是因為在一個充放電的周期內(nèi)，低電壓的占空比要更小，高電壓的占空比要更大。綜上所述，這種電路的效率高、功能低、擴(kuò)展性好，因此具有良好的市場前景。

[1]段磊強(qiáng), 張志文.一種基于正弦脈寬調(diào)制技術(shù)的交流電源設(shè)計方法[ J] .西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報, 2001, 21(1):46 -50.

[ 2]范玲莉，鄧焰，石健將.基于LM25037的車載逆變電源設(shè)計.2009, 43(6)

[3]劉開緒.用IR2110設(shè)計的靜電高壓直流電源電路[ J] .長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2005, 26(3):246 -249.

徐紅麗（1983.8-）女，湖南常德人，講師，工程碩士。主要研究方向：電子信息工程技術(shù)