基于ATmega8 單片機(jī)控制的正弦波逆變電源

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 12 V直流電轉(zhuǎn)換成220 V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。可靠性高。抗干擾強(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50 Hz方波的作用下，產(chǎn)生220 V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50 Hz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的單元電路性價(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)降低性價(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+5 V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輸入的直流低壓進(jìn)行斬波，然后經(jīng)升壓變壓器后，逆變成高頻交流方波，此時(shí)流通的電流為磁化電流，所以選取Philips公司生產(chǎn)的BYV26C超快軟恢復(fù)二極管組成了全橋整流電路，該管子重復(fù)峰值電壓為600 V，正向?qū)娏鳛? A，其反向恢復(fù)時(shí)間30 ns，可以滿足電路的參數(shù)需求，整流后的電壓經(jīng)濾波電路后輸出直流電壓260 V，送往DC/AC逆變電路，另外260 VDC經(jīng)降壓處理后作為作為反饋信號(hào)輸入圖3中的VFB端，作為高頻逆變電壓的反饋信號(hào)。

3.2 DC/AC輸出電路的設(shè)計(jì)

DC/AC變換輸出電路采用全橋逆變單相輸出，其驅(qū)動(dòng)輸入波形則由單片機(jī)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)半橋驅(qū)動(dòng)器IR2110 輸出工頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)編程可調(diào)節(jié)該輸出驅(qū)動(dòng)波形的D<50%,保證逆變的驅(qū)動(dòng)方波有共同的死區(qū)時(shí)間.如圖5 所示，QA1~QA4 端分別接到單片機(jī)的PB1~PB4 引腳，由此引腳輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩片IR2110,分別從PWM1~PWM4輸出50 Hz的工頻信號(hào)去驅(qū)動(dòng)橋式逆變電路產(chǎn)生正弦波形.

IR2110 是IR 公司生產(chǎn)的大功率MOSFET 和IGBT專用驅(qū)動(dòng)集成電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET 和IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還具有快速完整的保護(hù)功能，因此它可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，減少電路的復(fù)雜程度.如圖6所示，HIN 和LIN 為逆變橋中同一橋臂上下兩個(gè)功率MOS的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端.SD 為保護(hù)信號(hào)輸入端，當(dāng)該腳接高電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)全被封鎖，其對(duì)應(yīng)的輸出端恒為低電平;而當(dāng)該腳接低電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)跟隨HIN和LIN而變化，因此，在本系統(tǒng)中，兩片IR2110芯片的SD端共同接到單片機(jī)的PB0引腳，用于實(shí)時(shí)控制IR2110 是否處于保護(hù)狀態(tài).IR2110 的VB 和VS 之間的自舉電容較難選擇，因此直接提供了15 V恒壓，使其能正常工作.

逆變正弦電壓輸出電路有兩種調(diào)制方式，一種為單極性調(diào)制方式，其特點(diǎn)是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開(kāi)關(guān)頻率互補(bǔ)開(kāi)關(guān)，保證可以得到理想的正弦輸出電壓，另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開(kāi)關(guān)損耗，但又不是固定其中一個(gè)橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個(gè)橋臂始終為高頻(載波頻率)，而是每半個(gè)輸出電壓周期切換工作，即同一個(gè)橋臂在前半個(gè)周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個(gè)橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對(duì)于選用同樣的功率管時(shí)，使其使用壽命均衡，對(duì)增加可靠性有利.另一種為雙極性調(diào)制方式，其特點(diǎn)是4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，雖然能得到正弦輸出電壓波形，但其代價(jià)是產(chǎn)生了較大的開(kāi)關(guān)損耗.如圖6所示，本文的逆變輸出電路采用了單極性調(diào)制方式，這樣可以提高波形的平滑度，增加電路的可靠性.圖6 中的PWM1~PWM2 分別接收來(lái)自圖5 的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)由4個(gè)具有500 V耐壓值的IRF840開(kāi)關(guān)管組成的橋式逆變電路，將260 VDC 逆變成220 V,50 Hz的交流電，經(jīng)LC 濾波后供給負(fù)載.圖6中的IFB端和ACV端，分別和為電流和電壓的采樣，送到單片機(jī)的PC4和PC5引腳進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)將轉(zhuǎn)換果用于功率計(jì)算和電路保護(hù)之用.

3.3 單片機(jī)電路及編程

本文采用的是Atmel 公司生產(chǎn)的ATmega8 單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制的，它的工作電壓范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)，具有預(yù)取指令功能.這使得其理速度快，引腳輸出電流大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，輸出的脈沖信號(hào)無(wú)需放大可直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，端口全內(nèi)置上拉電阻，均可作為輸入或輸出，具體情況通過(guò)編程靈活配置，基于以上優(yōu)點(diǎn)，選擇ATmega8L單片機(jī)作為控制器，不僅可提高系統(tǒng)整體性能，也可簡(jiǎn)化外圍電路.

本文主要將它應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，溫度檢測(cè)，風(fēng)扇控制，安全保護(hù)，數(shù)據(jù)顯示等.ATmega8單片機(jī)分別采集來(lái)自系統(tǒng)電路的溫度.電流.電壓，并根據(jù)這三個(gè)參數(shù)的情況分別控制啟動(dòng)風(fēng)扇散熱，控制是否輸出報(bào)警信號(hào)，控制SD 端和DCDC 端是否使系統(tǒng)處于保護(hù)狀態(tài)，QA1~QA4則是輸出50 Hz的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，具體的編程控制如圖7所示.當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)先檢查系統(tǒng)的溫度環(huán)境是否正常，不正常則啟動(dòng)報(bào)警，并提示出錯(cuò)代碼，如果正常則啟動(dòng)高頻逆變電路工作，并檢測(cè)260 VDC是否正常，不正常則報(bào)警，正常則啟動(dòng)正弦逆變電路工作，并一直檢測(cè)輸出的電壓電流是否正常，正常則輸出，不正常則報(bào)警.

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于ATmega8單片機(jī)控制的正弦波逆變電源的整體設(shè)計(jì)方案，可高效.便捷的為野外作業(yè)提供所需的交流電源，該電路目前已實(shí)驗(yàn)成功并投入到實(shí)際的使用當(dāng)中.實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)出來(lái)的逆變電源具有體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠的性能.