基于單片機(jī)的小功率逆變器的設(shè)計與實現(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)計并實現(xiàn)了一個小功率逆變器。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現(xiàn)逆變。根據(jù)單片機(jī)對外部電位器上電壓的采樣值對輸出電壓的幅值進(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，使得逆變器的體積大大減小。硬件上的功能模塊化設(shè)計，使整個系統(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，具有較大的推廣應(yīng)用價值。
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)部兩路可編程計數(shù)陣列(PCA)模塊來模擬脈寬調(diào)制法，設(shè)計并實現(xiàn)了一個輸出電壓幅值可調(diào)的小型逆變器。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本文使用AltiumDesigner6．9完成硬件電路原理圖和PCB圖的設(shè)計。圖1是該設(shè)計的總體電路結(jié)構(gòu)圖。

     該設(shè)計實現(xiàn)的功能是將6 V的直流電通過三級功率變換(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MOS(IRF 3205)管組成的單邊橋高頻逆變器，并與高頻變壓一起實現(xiàn)前級升壓。通過前級升壓，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個二極管組成整流橋電路對前級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)動模塊
    該設(shè)計中驅(qū)動工頻逆變器橋的4個MOS管使用IR2110芯片來完成。單片機(jī)產(chǎn)生的兩路SPWM控制信號經(jīng)過死區(qū)時間后作為2片IR2110的邏輯輸入。用2片IR2110芯片組成的驅(qū)動電路輸出4路兩兩互補(bǔ)的信號，從而控制全橋逆變電路的上、下橋臂的通斷，實現(xiàn)逆變功能。
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。同時增加一個模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通過讀取電位器上的電壓值，實現(xiàn)逆變器輸出幅值可調(diào)。兩路SPWM信號由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
    該設(shè)計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)存儲器中。然后利用這個數(shù)據(jù)表去動態(tài)地設(shè)置PCA模塊比較寄存器的值，實現(xiàn)計數(shù)周期動態(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。

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，而另一路剛好對應(yīng)右上橋臂。

4 結(jié)語
    該設(shè)計基于單片機(jī)控制的數(shù)／?；旌想娐返膶崿F(xiàn)，使得整個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)。