基于SPWM的交流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

引言

　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對供電質(zhì)量越來越提出新的高要求，像手機(jī)基站、精密儀器、精密加工設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)等對供電的質(zhì)量提出了更高的要求，比如白熾燈輸出電壓改變約0.3%就會(huì)引起人們的不適感覺，而且?guī)⑻幚砥骺刂破骱碗娏﹄娮友b置的負(fù)載設(shè)備越來越多，這些設(shè)備對許多類型的電能質(zhì)量擾動(dòng)都很敏感。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓器因?yàn)槠渥陨淼娜秉c(diǎn)己經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)在的技術(shù)要求。

　　由于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，MOSFET 等大功率開關(guān)器件的成熟應(yīng)用，逆變器技術(shù)以及PWM 技術(shù)都得到了極廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)等為控制提供了手段和方法，目前對交流電源所作的種種研究都為本課題打下了基礎(chǔ)。

　　本設(shè)計(jì)交流穩(wěn)壓電源的基本要求是：輸入電壓為交流24V；輸出電壓為交流36V；要求輸出有200mA的電流。本文基于逆變技術(shù)及PWM技術(shù)，采用SPWM控制方式從單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、整流及電源電路、DC-DC 升壓電路、SPWM 轉(zhuǎn)換電路、H 橋驅(qū)動(dòng)電路等幾個(gè)方面出發(fā)，設(shè)計(jì)了交流穩(wěn)壓電源的各個(gè)部分內(nèi)容，同時(shí)通過電壓、頻率采樣電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路等幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)的電壓、頻率顯示功能。設(shè)計(jì)了單片機(jī)及其外圍電路，并結(jié)合一套合理的程序算法，給出了一套交流穩(wěn)壓電源軟硬件解決方案。

　　1 SPWM 控制的基本原理

　　SPWM 法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM 法。SPWM 就是以采樣控制理論中的沖量等效原理為理論依據(jù)的（沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同）。用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM 波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

　　在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如把各輸出波形用傅氏變換分析，則其低頻特性非常接近，僅在高頻段略有差異。這一結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。如圖1（a）所示，將正弦半波看成由N 個(gè)彼此相聯(lián)的脈沖組成的波形。這些脈沖寬度相等，但幅度不等，且脈沖的頂部為曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果將上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相等，就得到圖1（b）所示的脈沖序列。像這種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的波形即為SPWM波形。

圖 1 PWM控制的基本原理圖

　　得到 SPWM的具體實(shí)現(xiàn)方法可以是用一個(gè)正弦調(diào)制波和一個(gè)等腰三角載波相交，由它們的交點(diǎn)確定逆變器的開關(guān)模式。如圖2 所示，正弦波大于三角波時(shí)，使相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)正弦波小于三角載波時(shí)，使相應(yīng)的開關(guān)器件截止。

圖 2 SPWM控制的基本原理圖

　　2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、整流及電源電路、DC-DC 升壓電路、SPWM 轉(zhuǎn)換電路、H 橋逆變電路等幾個(gè)模塊，由于系統(tǒng)需要完成輸出電壓和頻率的檢測和顯示，因此需要設(shè)計(jì)電壓、頻率采樣電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路等。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖3 所示。

圖 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

　　圖 3 中，24V整流電路將系統(tǒng)輸入的24V交流電整流成直流，并送到DC-DC升壓電路升壓到51V（36V AC 的峰值）作為H 橋逆變電路的電源。SPWM 波形由單片機(jī)軟件產(chǎn)生，單片機(jī)還要輸出標(biāo)志SPWM 正負(fù)半周的極性信號(hào)送給SPWM 轉(zhuǎn)換電路，SPWM 轉(zhuǎn)換電路接收單片機(jī)送來的SPWM 波形信號(hào)和正負(fù)半周極性信號(hào)。將兩個(gè)信號(hào)組合、處理、驅(qū)動(dòng)H橋逆變電路。51V 的直流經(jīng)過H 橋逆變電路逆變和輸出濾波后輸出穩(wěn)定的交流36V。

　　系統(tǒng)的電壓、頻率顯示功能需要分別通過電壓采樣和頻率采樣電路采樣。其中電壓采樣取斬波前的峰值電壓經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。A/D 轉(zhuǎn)換電路由單片機(jī)控制，單片機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算得出輸出電壓的有效值。頻率采樣電路將系統(tǒng)輸出的電壓正弦波形轉(zhuǎn)換成方波，并送入單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)兩次上升沿的時(shí)間差，計(jì)算出波形的頻率。采集的電壓和頻率信號(hào)都要通過數(shù)碼管顯示電路顯示。

　　3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 PWM 控制芯片SG3525 介紹

　　系統(tǒng)采用 SG3525 來實(shí)現(xiàn)SPWM 控制信號(hào)的輸出，該芯片其引腳及內(nèi)部框圖如圖4：

圖 4 SG3525 引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

直流電源s V 從腳15 接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的+5V 基準(zhǔn)電壓。+5V 再送到內(nèi)部（或外部）電路的其它元器件作為電源。振蕩器腳5 須外接電容T G 腳6 須外接電阻RT。振蕩器頻率f 由外接電阻 RT 和電容 CT 決定， f = 1.18/RT CT ?？梢愿鶕?jù)廠家的一個(gè)圖查出。如圖5：

圖5 SG3525 工作頻率確定曲線

3.2 系統(tǒng)原理圖

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的交流穩(wěn)壓電源的原理圖如圖6 所示，原理圖中包括了單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、DC-DC升壓電路、SPWM轉(zhuǎn)換電路、H 橋驅(qū)動(dòng)電路及頻率的采樣和顯示電路。

圖 6 系統(tǒng)原理圖

　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　4.1系統(tǒng)的軟件總體流程。

　　系統(tǒng)的SPWM 波形的產(chǎn)生通過定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0 中斷服務(wù)程序來完成。其他功能的實(shí)現(xiàn)要通過主程序來完成。系統(tǒng)的主程序部分的總體流程如圖7 所示。

圖 7 系統(tǒng)的軟件總體流程

　　4.2 SPWM 波形的軟件算法

　　本設(shè)計(jì)采用定時(shí)/計(jì)數(shù)器0 來完成SPWM 波形的產(chǎn)生，工作模式設(shè)定為模式1。軟件流程圖如圖8所示。

圖 8 軟件產(chǎn)生SPWM波形程序流程

　　5 結(jié)語

　　本文采用 52 單片機(jī)及SG3525PWM 控制芯片等設(shè)計(jì)除了一款交流穩(wěn)壓電源，功能包括24V 電壓輸入，36V 電壓穩(wěn)定輸出，輸出電流為200mA，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電壓及頻率的顯示功能，并給出了各種功能的實(shí)現(xiàn)電路。該電源在實(shí)際工作中性能穩(wěn)定，安全可靠，在實(shí)際應(yīng)用中得到檢驗(yàn)。