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逆变电源
基于单片机的双极性单相SPWM
逆变器模拟装置设计
Adesignofthebipolarsingle-phaseSPWMinvertersimulationdevicebasedonthemicroprocessor
摘要
本系统以PIC16F877A单片机为核心,利用面积等效法生成SPWM信号。
系统主要由隔离变压器和调压器将交流220V电源变成可调交流电源,再整流变换成直流电,SPWM信号通过光耦合隔离器控制由四个功率MOEFET管组成的逆变器的工作状态,逆变器输出频率和幅度都可调的正弦交流电。
该逆变电源输出的正弦交流电精度高,性能稳定,实用价值高,在电力电子技术中应用广泛。
关键词:
SPWM;逆变器;驱动电路
Abstract
ThissystemisbasedonthemicroprocessorPIC16F877A,andismadeuseoftheequivalentofareatogenerateSPWMsignal.ThesystemismainlycomposedofaisolatedtransformerandaboosterbywhichtheAC220VpoweristransformedtoanadjustableACpower.ThisACpowerisrectifiedintoDC.TheworkingstatusoftheinvertercomposedoffourpowerMOEFETarecontrolledbytheSPWMsignalthroughfourphoto-couplers.TheinverteroutputsasineACpowerwhichfrequencyandamplitudeisadjustable.Andtheoutputoftheinverterpowerhastheadvantagesofhighaccuracy,stability,andhighpracticalvalue,soitwidelyusedinpowerelectronictechnology.
Keywords:
SPWM;inverter;Drivecircuit
目录
摘要I
AbstractI
1.引言1
2.逆变电路1
2.1逆变电路的基本工作原理[5]1
2.2PWM技术基础2
2.3.1面积等效的SPWM控制算法2
2.3.2SPWM调制方法3
3.系统设计4
3.1设计方案4
3.2设计要求及思路4
4.硬件设计5
4.1主电路设计5
4.2驱动电路设计6
4.3自举电路设计7
4.4死区电路设计7
4.5硬软件保护电路设计7
5.软件设计8
5.1主程序设计8
5.2中断设计9
6.系统调试10
6.1SPWM信号调试10
7.系统测试11
7.1测试结果11
8.结束语12
致谢12
参考文献12
附录14
1.引言
随着科技的不断发展与仪器的更新换代对电源的要求越来越高,可以说一种高性能的电源是科学研究与工业应用得以顺利进行的有力保障。
然而,直接将受污染严重的市电作为电源,显然无法达到仪器设备的要求[1]。
微电子技术的发展以及变频方法研究工作的进展使交流变频技术不仅在工业上及家电行业上得到了广泛应用,且在仪器设备的电源上也得到了广泛应用,以提高仪器设备的调速性能、节电和降噪。
以CPU为核心的变频器为电源的数字化、智能化创造了条件[2]。
随着逆变器在电力传动、UPS电源和有源滤波器等电力电子设备中的广泛应用,SPWM技术己经成为逆变技术的核心。
早期使用模拟和数字的分立元件组成的混合电路生成SPWM波形,所需硬件较多,算法不够灵活,改变参数和调试比较麻烦。
随着微电了和计算机技术的发展,逆变技术的研究重点也将逐渐转向以单片机、或DSP为主的数字控制方式。
当前,单片机的应用已经从单纯依赖于51系列单片机向其它多种单片机发展,尤其以嵌入式PIC单片机的发展应用更为广泛。
PIC单片机内部集成有PWM功能的外围功能模块(CCP),利用此模块更容易通过软件实现SPWM,且具有更快的执行速度[3]
以16F877A为核心,利用SPWM技术可实现对市电的逆变,从而对输出端电压进行控制。
对比采用集成电路方法及其它的控制方法,采用单片机控制的逆变系统具有以下优点:
①全数字控制,易于扩展;②电路结构简单,控制灵活,便于调试;③技术保密性能好[4]。
2.逆变电路
2.1逆变电路的基本工作原理[5]
图1S1、S4闭合,S2、S3断开电路和波形图
以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理;图中S1~S4是桥式电路的4个臂,由电力电子器件及辅助电路组成。
●S1、S4闭合,S2、S3断开时,负载电压uo为正;如图1:
●S1、S4断开,S2、S3闭合时,负载电压uo为负;如图2:
图2S2、S3闭合,S1、S4断开电路和波形图
1)逆变电路最基本工作原理:
改变两组开关切换频率,可改变输出交流电频率;
2)电阻负载时,负载电流io和uo的波形相同,相位也相同;
3)阻感负载时,io相位滞后于uo,波形也不同。
2.2PWM技术基础
图3SPWM面积等效算法
PWM技术也称脉宽调制技术:
即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效的获得所需要的波形(含形状和幅值);
1)PWM控制的思想源于通信技术,全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。
2)PWM技术的应用十分广泛,它使电力电子装置的性能大大提高,因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。
3)PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用,才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。
2.3.1面积等效的SPWM控制算法
目前生成SPWM波的控制算法主要有4种。
1)自然采样法;
2)对称规则采样法;
3)不对称规则采样法;
4)面积等效法。
理论分析后知自然采样法和面积等效法相对于规则采样法谐波较小,对谐波的抑制能力较强。
又因为PIC单片机片内无较大空间实现在线运算,所以自然采样法不利于软件实现。
本系统采用面积等效法实现SPWM控制,原理如图3所示。
利用正弦波小块面积S1与脉冲面积S2相等原则,将正弦波的一个周期分为N等分,则每一等分的宽度为2π/N弧度,利用面积等效法计算出0~1/4周期内N/4个不同的脉宽值,将产生的脉宽数列以列表形式存于PIC单片机的ROM中,以供程序调用。
脉宽产生的基本公式为:
⑴
式中:
m为调制度;T为单个PWM的周期;N为载波比,即正弦波一个周期内的脉冲采样个数,N根据所需正弦波的频率取不同值;k取值为0~
。
由式
(1)计算出的实际脉宽转换成计时步阶后生成
个值的正弦表存入PIC的ROM中以供调用。
产生的SPWM脉宽表是一个由窄到宽的表。
2.3.2SPWM调制方法
图4单相桥式PWM逆变电路
以图4为例进行分析
1)单极性PWM控制方式(单相桥逆变)
在ur和uc的交点时刻控制IGBT(或MOEFET)的通断,波形如图5,其中uof表示uo的基波分量。
●ur正半周,V1保持通,V2保持断。
当ur>uc时使V4通,V3断,uo=Ud;当ur ● 图5单极性PWM控制方式波形 ur负半周,V1保持断,V2保持通。 当ur>uc时使V4断,V3通,uo=0;当ur 2)双极性PWM控制方式(单相桥逆变) 在ur和uc的交点时刻控制IGBT(或MOEFET)的通断,波形如图6,其中uof表示uo的基波分量。 在ur的半个周期内,三角波载波有正有负,所得PWM波也有正有负,其幅值只有±Ud两种电平。 同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。 ur正负半周,对各开关器件的控制规律相同 ●当ur>uc时,给V1和V4导通信号,给V2和V3关断信号。 如io>0,V1和V4通,如io<0,VD1和VD4通,uo=Ud; ● 图6双极性PWM控制方式波形 当ur 如io<0,V2和V3通,如io>0,VD2和VD3通,uo=-Ud。 3.系统设计 3.1设计方案 电路的主要功能是将输入的单相交流电先转变成直流电,再通过逆变电路和控制电路将直流电转变成大小和频率都可调的单相交流电,即为交-直-交变频电路。 因此系统主要应包括两部分: 逆变电路和驱动电路。 1、逆变电路[6] 逆变电路主要是通过控制回路输出宽度按正弦规律变化的脉冲来控制开关器件的通断,从而输出正弦波。 由于交直交变频器主要用于交流电机的调速,即负载为阻感负载,系统运行时需要消耗无功功率,而采用全桥逆变电路可以实现能量的双向流动,由交流侧向直流侧反馈无功能量,故逆变电路采用单相全桥逆变电路。 2、驱动电路 设计电路时逆变器件采用的是场效应管IRF840,它的栅源极之间有一个2000pF左右的极间电容,为快速建立驱动电压,则要求驱动电路的输出电阻很小。 而且IRF840开通时栅源极的驱动电压为+12V~+18V,且每一路管子需要独立的驱动电压,从而采用自举电源作为驱动IRF840的电源。 3.2设计要求及思路 1)主电路设计: 220V交流电经隔离变压器和调压器形成电压可调的交流电,再整流成直流电,由H桥逆变接到负载测试; 2)控制电路设计: 输出四路用于控制H桥逆变电路SPWM信号,载波开关频率推荐采用5KHz左右,上下管要有一定的死区效果(10us 3)单片机输出的SPWM信号经RC滤掉载波提取低频正弦信号波,便于示波器观测单片机SPWM逻辑,具有过流保护功能,能够软件保护,硬件保护。 本系统采用PIC单片机中的16F877A为核心处理器,系统上电后,单片机利用内部的CCP模块在RC2口输出正弦信号频率从10Hz、调制度从0.68开始向上增加的SPWM波,同时液晶上显示正弦信号频率和调制度;经过一段时间后,得到正弦信号频率为50Hz、调制度为0.98的SPWM波,系统初始化结束。 SPWM信号通过死区电路、保护电路后控制光耦隔离器输出的驱动信号,进而控制逆变电路H桥的工作。 此后可根据负载的需求,用按键以10Hz或1Hz的步进值改变正弦信号的频率,用按键以0.02步进值(调制度范围为0.68~1.00)调整调制度。 使负载高效正常的工作。 本系统整机电路采用单片机16F877A做主控单元,其他部分包括整流滤波模块、逆变电路和过流检测模块、死区电路模块、保护电路模块、驱动电路模块、自举电源模块、辅助电源模块、液晶显示模块等。 系统框架如图7所示: 图7系统总框图 4.硬件设计 4.1主电路设计 图8主电路 主电路及过流检测电路的工作原理图如图8所示,包括整流滤波电路、单相全桥逆变电路和LC滤波电路。 整流滤波电路将输入的单相交流电变成直流电,再经电容的滤波形成纹波较小的直流电。 全桥逆变电路将直流电变成正弦交流电,经过LC滤波电路后得到失真很小的正弦波。 此外为了保证安全,在交流电的输入端接一5A的保险丝。 由于输入的交流电可达到220V,所以整流二极管耐压必须大于630V,滤波电容的耐压必须大于400V,整流二极管允许通过的电流应足够大;本系统选用的整流二极管为6A10,其耐压达到1000V,允许通过的最大电流为6A,基本满足要求。 场效应管IRF840属于电压型控制器件,可通过给门极相应的驱动信号来控制器件的导通与截止,内部含有体二极管,可以起到续流和反馈的作用。 电路中各场效应管的栅极控制信号和输出电压的波形如图9所示,负载为感性负载,工作时IG1和IG4的控制信号完全相同,IG2和IG3的控制信号完全相同。 IG1和IG2的通断状态互补,IG3和IG4的通断状态也互补。 电路的工作原理[2]是: 当IG1、IG4导通时,IG2、IG3截止;当IG2、IG3导通时,IG1、IG4截止,每个PWM周期中IG1、IG4与IG2、IG3交替导通截止,从而产生双极性的SPWM波。 如此通过控制开关管的工作状态,使得输出脉冲的宽度按正弦规律变化,和正弦波等效,输出即为单相双极性正弦波。 若要改变输出正弦波的大小,则只要按照同一调制率改变上述各脉冲的宽度即可。 通过对主电路待测电阻的电流检测,若出现过流故障,通过光耦三极管TLP521将检测信号传送到单片机处理,并对SPWM信号进行硬件封锁和软件封锁。 为了确保TLP521的工作电流为10mA~15mA,要使其内部三极管正常工作应接入一个10K的上拉电阻。 图9栅极控制信号和输出电压波形 图10驱动电路 4.2驱动电路设计 驱动电路的工作原理图如图10所示: 采用四路高速光耦隔离器HCPL3120来分别驱动H桥的四个MOS管及实现控制信号与主电路的IO隔离,当信号输入端QG1或QG2为低电平时,芯片内部的光耦三极管导通,6脚和7脚相接可以产生2A的电流,在此处接入下拉电阻目的是为了拉低该处电压,防止在MOS管不工作时候对应的驱动管脚悬空,从而收到其它脉冲的干扰,导致管子误触发。 此外, 起限流作用, 和二极管 是为了让启动速度慢,关断时间快,有助于保护MOS管。 4.3自举电路设计 图11自举电路 由于驱动四个MOS管工作都需要独立电源,为了不使电路结构复杂,故采用自举电路来提供。 当下管导通时,输入15V电压通过快恢复二极管、电容、下管形成回路,向相应的电容充电,电容上的电压达到充电电压;下管断开时,电容的上电压维持充电电压,负端的电位跟随下管的电压上升,自己将电位举起,这样电容上的电压就可以为上管驱动提供电源。 4.4死区电路设计 图12死区电路 为了防止上下管同时导通,必需设计死区电路来进行保护,死区电路如图12所示;单片机输出的SPWM信号,由CD4001或非门和RC延时环节构成死区时间为高电平有效的带死区信号。 单片机输出的SPWM信号分两路,一路信号经RC单边沿延迟再和输入信号或非生成信号P1,另一路信号先取反再经RC单边沿延迟后再和取反信号或非生成信号P2。 为了使上下管有足够的保护时间,信号脉冲的前后边沿死区时间要求必需大于10uS,一般取为 ,根据RC延时时间计算公式 则取得 , 。 4.5硬软件保护电路设计 由于主电路出现故障时,应立即封锁SPWM控制信号来保护主电路。 故应设计一个由数字逻辑电路和手动开关相结合的保护电路。 由于主电路只有一路的过流判断,在过流时会不停的脉动,不能完全封锁SPWM控制信号,故设计时还应另加一路软件保护来同时进行信号的判断,从而让单片机来封锁SPWM控制信号。 自锁开关M为手动封锁SPWM控制信号开关,当自锁开关未按下时,控制信号输出端QG1、QG2输出为高电平,即无效信号,使主电路不工作。 此电路还有一作用是: 在系统上电时,封锁了SPWM控制信号,对主电路起到上电保护作用。 图13硬软件保护电路 5.软件设计 5.1主程序设计 图14主程序流程图 本系统主要分为两部分: 即为主程序和中断。 主程序中主要需要实现的任务有: ①程序系统的初始化;②SPWM信号的初始化,即由SPWM信号产生的正弦波的频率从10Hz逐渐增加到50Hz,调制度跟随正弦波频率从0.64逐渐增加到0.98;③根据按键来调节正弦波的频率和调制度;④计算特定频率和调制度下1/4周期正弦波的PWM信号的脉宽;⑤液晶实时显示正弦波的频率和调制度。 中断的组要任务是查PWM信号的脉宽值送入CCPR1L。 由于系统要求SPWM信号的正弦波频率为10Hz~100Hz,且可以以1Hz为步进变化;又由于受到本系统所用的PIC单片机的CCP某块寄存器及抽样次数的限制,故将10Hz~100Hz频率分为四个部分,在每个部分采用不同的抽样数,并相应的设置不同的TMR2预分配比。 程序将10Hz~100Hz频率分为10Hz~24Hz、25Hz~39Hz、40Hz~59Hz、60Hz~100Hz四个部分进行分别计算,即模块0~模块3。 主程序流程如图14所示。 5.2中断设计 图15中断程序流程 本系统中设置SPWM的频率为5kHz左右,并外接4MHz晶振,计算得指令周期即计时步阶为1μs。 PIC单片机CCP外围功能模块的PWM功能实现主要依靠相关寄存器值的设定,且以定时器2(TMR2)作为PWM的时基。 中断程序流程如图15所示。 1)SPWM周期的设定由寄存器PR2设定 (PWM)周期=(PR2)×4×Tosc×(TMR2)预分频值 系统中Tosc为4MHz,为提高分辨率及满足系统要求的正弦波频率为10Hz~100Hz,当正弦波频率为10~24Hz时,TMR2预分频器设为1: 4,即T2CKPS1=0、T2CKPS0=1;当正弦波频率为25~100Hz时,TMR2预分频器设为1: 1,即T2CKPS1=0、T2CKPS0=0; 2)定时器TMR2的控制寄存器T2CON设定,因为SPWM频率高,周期短,但系统软件中采用查PWM脉宽的方式来修改PWM脉宽,所用时间少,可满足一个PWM周期改变一次脉宽的要求,故在此寄存器中设置后分频为1: 1即可; 3)CCP模块的控制寄存器CCP1CON的设定。 选择CCP模块作用于PWM功能模式,即bit3: 0=11ⅹⅹ; 4)根据PWM输出信号脉宽的公式 PWM高电平(脉宽)=CCPR1L: CCP1CON(bit5,bit4)×Tosc×(TMR2)预分频值 计算出每个PWM周期CCPR1L的值。 CCPR1L脉宽写入寄存器后,写入的脉宽值在下个TMR2周期开始时转至CCPR1H,通过读CCPR1H的脉宽值来改变PWM脉宽; 5)寄存器TRISC对应于CCP1的输入输出设置,应设置为输出形式,即TRISC的bit2=0。 6.系统调试 6.1SPWM信号调试 单片机输出的SPWM信号经过普通的RC滤波后的到正弦波,如图16: 其中R取为10KΩ的普通电阻、C取为104瓷片电容。 图16SPWM信号对应的正弦波 7.系统测试 7.1测试结果 在逆变器输出端接LC滤波和负载进行测试,负载为333Ω的纯阻性负载,负载两端的输出波形如图17(输入电压为150V): 图17负载输出波形 测得的数据及根据测量数据计算所得的值如表1所示: 表1测试数据 输入电压 输出电压 输入电流 输出电流 输入功率 输出功率 效率 50.0 38.2 0.12 0.07 6.00 2.67 44.6% 75.0 57.7 0.20 0.13 15.0 7.50 50.1% 100 82.3 0.28 0.21 28.0 17.3 61.7% 125 100 0.38 0.27 47.5 27.1 56.9% 150 124 0.44 0.32 66.0 39.7 60.2% 175 146 0.52 0.41 91.0 60.1 66.0% 200 174 0.60 0.48 120 83.6 69.6% 说明: 本表为正弦信号频率为50Hz、调制度为0.98时所测结果。 由测试结果可知,负载输出波形基本为正弦波,但存在一定的失真;系统的效率在45%~70%之间,输入电压越高,效率越好。 8.结束语 本系统利用16F877A芯片的功能,基本上实现了设计的预期功能,能够较好的实现逆变电压的稳定输出,且有较好的带载能力和较高的效率。 但其效率还是不够大。 在输入电压较小时效率也较小,输入电压增大后,效率有所提高。 参考文献 [1]一种基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源[J]周俊杰,钱晓耀,陈上挺(中国计量学院机电工程学院浙江杭州310018)机电工程2008年4月第25卷第4期. 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