淺析基于PIC單片機(jī)的逆變電源電路設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)代電源變頻調(diào)幅的要求，提出了利用PIC16F873產(chǎn)生SPWM波控制IR2136觸發(fā)IGBT產(chǎn)生PWM波作用于逆變器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)幅。同時(shí)利用AD模塊對(duì)逆變橋輸出進(jìn)行采樣并進(jìn)行濾波處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的PI閉環(huán)控制。通過(guò)MATLAB中的SIMULINK組件進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明此方案輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，具有良好的精度控制及實(shí)時(shí)性、波形失真小、可靠性高。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電源質(zhì)量越來(lái)越成為各種電氣設(shè)備正常和良好工作的基礎(chǔ)。電源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)持續(xù)的研究課題即是研究作為電子信息產(chǎn)業(yè)命脈的電源的可靠性和穩(wěn)定性。

而逆變器作為電源的核心部分，其調(diào)制技術(shù)很大程度上決定了電源輸出電壓的質(zhì)量。目前最常用的調(diào)制技術(shù)是正弦脈寬調(diào)制(SPWM)。隨著單片機(jī)的出現(xiàn)及其廣泛應(yīng)用，智能化控制方法已經(jīng)逐漸替代傳統(tǒng)的分立元件電路產(chǎn)生方法或是專(zhuān)用芯片產(chǎn)生方法。智能化逆變電源的優(yōu)勢(shì)在于它不僅能實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的輸出，還為系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)的監(jiān)控、處理及顯示提供接口。同時(shí)它與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)更好地結(jié)合產(chǎn)生了故障自診斷和自我保護(hù)功能，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在充分考慮工業(yè)控制成本及穩(wěn)定性要求的前提下，本設(shè)計(jì)采用PIC單片機(jī)作為控制核心，再輔助相關(guān)外部電路，組成一個(gè)具有穩(wěn)定和智能化等優(yōu)點(diǎn)的逆變電源控制系統(tǒng)。

具體電路設(shè)計(jì)

單相橋式逆變電路如圖1所示。[1]電路正常工作情況下，兩對(duì)開(kāi)關(guān)管需要兩組相位相反的驅(qū)動(dòng)脈沖分別控制，使VT1、VT4同時(shí)通斷和VT2、 VT3同時(shí)通斷。輸入直流電壓為220VAC，逆變器的負(fù)載為R.當(dāng)開(kāi)關(guān)VT1、VT4接通，VT2、VT3斷開(kāi)時(shí)時(shí)，電流流過(guò)VT1、R和VT4，負(fù)載上的電壓極性是左正右負(fù);當(dāng)開(kāi)關(guān)VT1、VT4斷開(kāi)，VT2、VT3接通時(shí)，電流流過(guò)VT2、R和VT3，負(fù)載上的電壓極性反向，直流電即轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。若要改變輸出交流電頻率，改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率即可，繼而得到正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)的交流方波電壓。負(fù)載為純阻型時(shí)，負(fù)載電流電壓波形相同，相位也相同;負(fù)載為感性時(shí)，電流滯后于電壓，二者波形不同。輸出為相當(dāng)于三個(gè)差120°相位的單相逆變電路的疊加，即三相逆變，其原理不再贅述。

產(chǎn)生PWM波芯片選擇

本設(shè)計(jì)電路為單相全橋逆變電路，其主電路是典型的DC-AC逆變電路。由單片機(jī)對(duì)LC濾波后的電壓進(jìn)行AD采樣，把所得的數(shù)據(jù)輸入到 PIC16F873單片機(jī)，由PIC16F873單片機(jī)芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并輸出相應(yīng)的SPWM信號(hào)給IR2136驅(qū)動(dòng)電路，控制逆變電路的開(kāi)關(guān)管通斷，從而控制逆變器的輸出，調(diào)節(jié)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作溫度，保護(hù)控制系統(tǒng)電路。另設(shè)有鍵盤(pán)、控制頻率及幅值，同時(shí)顯示模塊，用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

PIC16F873單片機(jī)電路是此系統(tǒng)的控制核心電路，主要發(fā)揮以下兩個(gè)方面的作用：為驅(qū)動(dòng)電路提供SPWM控制信號(hào)，控制逆變橋的通斷;對(duì)輸出電壓進(jìn)行AD采樣。

集成電路IR2136芯片主要作用是產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)電平來(lái)控制逆變電路的開(kāi)關(guān)管通斷，從而控制逆變器的輸出。除此以外，由于系統(tǒng)輸出的不僅有SPWM波，還包含低次以及高次諧波。本設(shè)計(jì)采用了LC濾波電路以達(dá)到最終輸入標(biāo)準(zhǔn)正弦波的目的。

ω=2R/L為其截止角頻率，R為公稱(chēng)阻抗，設(shè)截止頻率為fc，則有：

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的核心部分是SPWM信號(hào)的產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)采用三角波作為載波、正弦波作調(diào)制波的對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法較為經(jīng)典，得到一系列幅值相等但寬度不等的矩形波。然后使用在線計(jì)算的方法計(jì)算矩形波的占空比：

設(shè)N為載波調(diào)制波比，即有N=fc/fr.其中fc為載波頻率，fr為調(diào)制波頻率。本系統(tǒng)的SPWM信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，故載波頻率可由下式計(jì)算：

其中，變量N代表分頻因子(1、8、64、256或1024)，fclki/o是MCU時(shí)鐘。

設(shè)M=UR/UC，為調(diào)制深度，其一般取值范圍為0~1，其中UC為載波幅值，UR為調(diào)制波幅值。改變調(diào)制波的幅值就能使輸出的基波