介紹基于ATmega8單片機(jī)控制的正弦波逆變電源設(shè)計(jì)

　　0引言

　　在風(fēng)電行業(yè)中，經(jīng)常需要在野外對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行維修，這時(shí)必須為各類(lèi)維修工具和儀器進(jìn)行供電。因此，設(shè)計(jì)一種便攜式。低功耗。智能化的正弦逆變電源來(lái)為這些設(shè)備供電是十分必要的，可大大提高維修風(fēng)機(jī)的效率。

　　本文正是基于這種情況下而設(shè)計(jì)的一種基于單片機(jī)的智能化正弦逆變電源。

　　1 正弦逆變電源的設(shè)計(jì)方案

　　本文所設(shè)計(jì)的逆變器是一種能夠?qū)C 12V直流電轉(zhuǎn)換成220V正弦交流電壓，并可以提供給一般電器使用的便攜式電源轉(zhuǎn)換器。目前，低壓小功率逆變電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。特別是在交通運(yùn)輸。野外測(cè)控作業(yè)。機(jī)電工程修理等無(wú)法直接使用市電之處，低壓小功率逆變電源便成為必備的工具之一，它只需要具有一塊功率足夠的電池與它連接，便能產(chǎn)生一般電器所需要的交流電壓。由于低壓小功率逆變電源所處的工作環(huán)境，都是在荒郊野外或環(huán)境惡劣。干擾多的地方，所以對(duì)它的設(shè)計(jì)要求就相對(duì)很高，因此它必須具備體積小。重量輕。成本低?？煽啃愿??？垢蓴_強(qiáng)。電氣性能好等特點(diǎn)。

　　針對(duì)這些特點(diǎn)和要求，研究一種簡(jiǎn)單實(shí)用的正弦波逆變電源，以低價(jià)實(shí)惠而又簡(jiǎn)單的元器件組成電路來(lái)滿足實(shí)際要求，定會(huì)受到市場(chǎng)的普遍歡迎。當(dāng)前，設(shè)計(jì)低功率逆變電源有多種方案，早期的設(shè)計(jì)方案是直接將直流電壓用雙開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制，在50Hz方波的作用下，產(chǎn)生220V的方波逆變電壓。

　　但隨著用電設(shè)備對(duì)逆變電源性能的要求不斷的提高，方波逆變電源在多數(shù)場(chǎng)合已被淘汰，而正弦波逆變器的應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)。現(xiàn)在，市場(chǎng)上低功率正弦波逆變電源的主要設(shè)計(jì)方案有3種。

　　1.1 一次逆變的正弦波逆變電源

　　該方案也是將要逆變的直流電壓直接加到雙開(kāi)關(guān)管上，然后采用數(shù)十倍于50 Hz的正弦化脈沖寬度調(diào)制脈沖串對(duì)開(kāi)關(guān)管直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，之后對(duì)輸出的電壓實(shí)行“平滑”處理，進(jìn)而獲得類(lèi)似于正弦波的連續(xù)變化的波形，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路一次逆變，高效而簡(jiǎn)單。但變壓器過(guò)于笨重，沒(méi)辦法滿足體積小，重量輕的要求。

　　1.2 多重逆變的正弦波逆變電源

　　該方案是將驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的50Hz信號(hào)，分成若干相位不同而頻率相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)各自的開(kāi)關(guān)管，使得各自的輸出電壓也錯(cuò)開(kāi)一定的相位，然后再進(jìn)行疊加處理，輸出多階梯的階梯波再進(jìn)行濾波就能輸出所需的正弦波電壓。此種方案電路較為復(fù)雜，一旦有一組開(kāi)關(guān)管失效，輸出的波形就有很大的失真。

　　1.3 二次逆變的正弦波逆變電源

　　隨著高頻開(kāi)關(guān)管技術(shù)的日趨成熟，逆變電源的電路設(shè)計(jì)趨向于先變壓，后變頻，即先將直流電壓轉(zhuǎn)為高頻交流電，再將高頻交流電轉(zhuǎn)換為50 Hz的正弦交流電源，其原理框圖如圖1所示。

　　由于開(kāi)關(guān)管的價(jià)格低廉，因此組成圖1的單元電路性?xún)r(jià)比高，當(dāng)前市場(chǎng)上以此種設(shè)計(jì)方案來(lái)生產(chǎn)低功率逆變電源的居多。

　　2 基于單片機(jī)控制的正弦波逆變電源

　　在以上列舉的三種逆變電源設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，以二次逆變的正弦波逆變電源為佳。按照這種思路，早期的具體電路解決方案多采用PWM控制芯片如 TL494，SG3524，SG3525A等，以固定的頻率去控制DC/DC和DC/AC部分的開(kāi)關(guān)管，并采用修正電路對(duì)輸出的波形進(jìn)行修正，以期達(dá)到正弦波的要求。但這種純PWM芯片控制的電路，對(duì)于元件的老化。發(fā)熱。受到干擾等情況無(wú)法自動(dòng)加以修正，或者修正能力差，往往使得在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)電路故障。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員不斷想將單片機(jī)引入到正弦逆變電源的控制當(dāng)中，但對(duì)于高頻部分的控制，低成本的單片機(jī)完成不了這個(gè)功能，高成本的單片機(jī)又會(huì)降低性?xún)r(jià)比，故本文提出了另外一種設(shè)計(jì)方案，就是采用低廉的ATmega8單片機(jī)，配合TL494，IR2110和開(kāi)關(guān)管，構(gòu)成一個(gè)體積小，成本低，控制能力強(qiáng)的正弦波逆變電源，其方框圖如圖2所示。

　　由圖2可見(jiàn)，整個(gè)系統(tǒng)主要由ATmega8單片機(jī)進(jìn)行控制，TL494和IR2110是否工作，全由單片機(jī)根據(jù)反饋信號(hào)作出調(diào)整。高頻開(kāi)關(guān)管及驅(qū)動(dòng)輸出部分采用單相全橋逆變電路構(gòu)成。具體工作原理是采用ATmega8單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心，利用TL494能產(chǎn)生高頻PWM信號(hào)的功能，通過(guò)單片機(jī)對(duì)其脈沖寬度進(jìn)行控制并輸出，以控制高頻開(kāi)關(guān)管組成的全相逆變電路，將低直流電壓逆變成為高壓方波，并通過(guò)整流濾波之后，送到驅(qū)動(dòng)輸出全橋逆變電路，由單片機(jī)控制IR2110輸出工頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出50 Hz，220 V的正弦交流電壓。

　　3 主要電路的具體設(shè)計(jì)

　　整個(gè)逆變系統(tǒng)的核心主要由單片機(jī)控制電路與檢測(cè)電路。DC/DC變換電路。DC/AC輸出電路組成。

　　3.1 DC/DC變換電路

　　如圖3所示，由TL494組成了高頻脈沖輸出電路，該電路采用了性能優(yōu)良的脈寬調(diào)制控制器TL494集成塊。該集成塊內(nèi)含+5V基準(zhǔn)電源。誤差放大器，頻率可變鋸齒波振蕩器。PWM比較器。觸發(fā)器。輸出控制電路。輸出晶體管及死區(qū)時(shí)間控制電路等。該集成塊的第5~6腳分別外接了C1和R6組成了RC 振蕩電路，可促使TL494輸出頻率為100引腳對(duì)圖中的DCDC端進(jìn)行控制。通過(guò)控制第4腳的死區(qū)時(shí)間控制端，可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的占空比在0~49%之間變化，從而控制輸出端Q1PWM~Q2PWM的輸出，而P端。VCC端和VFB端則分別接收來(lái)自負(fù)載，高頻逆變輸出電壓。輸入電壓的反饋信號(hào)，與 TL494內(nèi)部的電路組成過(guò)壓。過(guò)載保護(hù)電路，形成逆變器的第一級(jí)安全保護(hù)網(wǎng)。

　　　　如圖4所示為高頻電壓逆變電路，由4只IRF3205管構(gòu)成全橋逆變電路，IRF3205采用先進(jìn)的工藝技術(shù)制造，具有極低的導(dǎo)通阻抗，加上具有快速的轉(zhuǎn)換速率和以堅(jiān)固耐用著稱(chēng)的HEXFET設(shè)計(jì)，使得IRF3205成為極其高效可靠的逆變管。從輸入端Q1PWM，Q2PWM輸入的高頻脈沖串控制這 4個(gè)管兩兩導(dǎo)通，對(duì)VIN輸入的直流低