基于單片機(jī)的小功率逆變器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要:為了提高逆變器的整體性能,以STC12C5A60S單片機(jī)為核心,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小功率逆變器。通過單片機(jī)直接產(chǎn)生脈寬調(diào)制波,控制功率開關(guān)器件組成的橋電路實(shí)現(xiàn)逆變。根據(jù)單片機(jī)對(duì)外部電位器上電壓的采樣值對(duì)輸出電壓的幅值進(jìn)行控制,使得輸出電壓幅度可調(diào)。采用數(shù)/模電路結(jié)合設(shè)計(jì),使得逆變器的體積大大減小。硬件上的功能模塊化設(shè)計(jì),使整個(gè)系統(tǒng)的檢測性和操控性大大加強(qiáng)。該逆變器電路簡單,工作穩(wěn)定可靠,且易于升級(jí),具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞:逆變器;單片機(jī);脈寬調(diào)制;功率開關(guān)器
0 引言
逆變器是將汽流電能變換成交流電能的電氣裝置,通常用大功率高反壓電力電子器件來實(shí)現(xiàn)。太陽能發(fā)電中,光電池陣列所發(fā)出的電為直流電。但是,大多數(shù)用電設(shè)備的供電為交流電,所以電力系統(tǒng)中常需要將直流電變換成交流電的逆變器。此外,逆變器在工業(yè)控制,通信、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛。正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM),是指以正弦波做調(diào)制波(Modulating Wa ve),以F倍于正弦調(diào)制波頻率的三角波做載波(Carrier Wave),進(jìn)行波形比較后產(chǎn)生一組幅值相等、寬度正比于正弦調(diào)制波的矩形脈沖序列,來等效正弦調(diào)制波。本文以STC12C5A60S單片機(jī)為核心,利用其內(nèi)部兩路可編程計(jì)數(shù)陣列(PCA)模塊來模擬脈寬調(diào)制法,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)輸出電壓幅值可調(diào)的小型逆變器。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文使用AltiumDesigner6.9完成硬件電路原理圖和PCB圖的設(shè)計(jì)。圖1是該設(shè)計(jì)的總體電路結(jié)構(gòu)圖。
該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能是將6 V的直流電通過三級(jí)功率變換(DC-HFAC-DC-LFAC)得到頻率為50 Hz,幅度為110 V的工頻交流電以供交流負(fù)載使用?,F(xiàn)將硬件電路各部分的具體設(shè)計(jì)和功能作如下描述。
1.1 電源模塊
使用直流到直流變換芯片MC34063與LM7805和LM7812組合得到12 V和5 V的直流電,為硬件電路的各模塊提供所需電源。
1.2 前級(jí)升壓模塊
通過SG3525芯片與其外圍電路產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的高頻PWM(Pulse Width Modulation)脈沖波,用這兩路高頻脈沖波分別控制由兩個(gè)MOS(IRF 3205)管組成的單邊橋高頻逆變器,并與高頻變壓一起實(shí)現(xiàn)前級(jí)升壓。通過前級(jí)升壓,把6 V的直流電升到300 V左右的高頻交流電,為后面的工頻逆變做準(zhǔn)備。
1.3 整流器與濾波模塊
4個(gè)二極管組成整流橋電路對(duì)前級(jí)升壓模塊輸出的高頻交流電進(jìn)整流,并且經(jīng)過LC濾波器進(jìn)行濾波作為工頻逆變橋電路的輸入。
1.4 工頻逆變器MOS橋電路驅(qū)動(dòng)模塊
該設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)工頻逆變器橋的4個(gè)MOS管使用IR2110芯片來完成。單片機(jī)產(chǎn)生的兩路SPWM控制信號(hào)經(jīng)過死區(qū)時(shí)間后作為2片IR2110的邏輯輸入。用2片IR2110芯片組成的驅(qū)動(dòng)電路輸出4路兩兩互補(bǔ)的信號(hào),從而控制全橋逆變電路的上、下橋臂的通斷,實(shí)現(xiàn)逆變功能。[!--empirenews.page--]
1.5 SPWM產(chǎn)生模塊
以STC12C5A60S單片機(jī)為核心構(gòu)建的最小系統(tǒng),作為模塊的控制部分。同時(shí)增加一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路,通過讀取電位器上的電壓值,實(shí)現(xiàn)逆變器輸出幅值可調(diào)。兩路SPWM信號(hào)由STC12C5A60S單片機(jī)PCA模塊輸出端P1.3口和P1.4口。其原理是用正弦表數(shù)據(jù)去設(shè)置STC12C5A60S單片機(jī)PCA模塊的比較寄存器的值確來模擬脈寬調(diào)制法,最終獲得寬度正比于正弦調(diào)制波的矩形脈沖序列來等效正弦調(diào)制波。產(chǎn)生兩路SPWM波的原理如圖2所示。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)的控制芯片是宏晶公司的STC12C5A60S單片機(jī),它的內(nèi)部有兩路PCA模塊。預(yù)先通過Matlab計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)的工頻交流電的正弦表,以數(shù)組的形式存放在單片機(jī)內(nèi)部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。然后利用這個(gè)數(shù)據(jù)表去動(dòng)態(tài)地設(shè)置PCA模塊比較寄存器的值,實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)周期動(dòng)態(tài)改變,輸出的高電平脈沖寬度隨正弦規(guī)則變化。
主程序流程圖如圖3所示,PCA中斷子程序流程圖如圖4所示。
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3 系統(tǒng)測試
3.1 SPWM波形產(chǎn)生模塊測試
以單片機(jī)為核心構(gòu)成的SPWM波形產(chǎn)生模塊通過程序控制運(yùn)行后,可以得到兩路互補(bǔ)的SPWM波形,如圖5所示。用示波器截取了模塊的單路SPWM幾個(gè)細(xì)節(jié)片段圖,如圖6所示,脈寬是不斷變化的。
3.2 整體的系統(tǒng)測試
在輸入端輸入5 V的直流電,經(jīng)過系統(tǒng)逆變以后,可以在系統(tǒng)的輸出端得到有效值為110 V,頻率為50 Hz的交流電。輸出電壓經(jīng)示波器探頭衰減10倍以后接入示波器,得到如圖7所示圖形。示波器的另一路輸入是檢測全橋電路的左上橋臂的SPWM波形,而另一路剛好對(duì)應(yīng)右上橋臂。
4 結(jié)語
該設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的數(shù)/模混合電路的實(shí)現(xiàn),使得整個(gè)硬件電路的體積大大減小。由于數(shù)字單片機(jī)的引入,可控性大大增強(qiáng)。