基于PIC單片機(jī)的智能化逆變電源控制系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電源質(zhì)量越來越成為各種電氣設(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)。

一、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)開關(guān)VT1、VT4接通，VT2、VT3 斷開時(shí)時(shí)，電流流過VT1、R和VT4，負(fù)載上的電壓極性是左正右負(fù);當(dāng)開關(guān)VT1、VT4斷開，VT2、VT3接通時(shí)，電流流過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，改變兩組開關(guān)的切換頻率即可，繼而得到正負(fù)半周對(duì)稱的交流方波電壓。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。

圖1 單相橋式逆變電路

二、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、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)電平來控制逆變電路的開關(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為公稱阻抗，設(shè)截止頻率為fc，則有：

三、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電壓幅值發(fā)生變化。

根據(jù)規(guī)則采樣法的原理，假設(shè)一個(gè)周期內(nèi)有N個(gè)矩形波，則第i個(gè)矩形波的占空比Di為：

通過設(shè)置單片機(jī)，利用上述公式計(jì)算出占空比使之與計(jì)數(shù)器的TOP值相乘形成一個(gè)正弦表。然后將數(shù)據(jù)送到比較寄存器中，配置單片機(jī)I/O口寄存器，在PD4口輸出SPWM信號(hào)。整個(gè)SPWM產(chǎn)生程序流程圖及實(shí)時(shí)反饋圖如圖2：

圖2 SPWM 產(chǎn)生程序框圖

常用的正弦調(diào)制法分為同步調(diào)制法和異步調(diào)制法。同步調(diào)制法在調(diào)制波的頻率很低時(shí)，容易產(chǎn)生不易濾掉的諧波，而當(dāng)調(diào)制波頻率過高時(shí)，開關(guān)元件又難以承受;異步調(diào)制法的輸出波形對(duì)稱性差，脈沖相位和個(gè)數(shù)不固定。本軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用了分段同步調(diào)制法，[4-6]吸收上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，且很好地克服各自的缺點(diǎn)，得到特性較好的正弦波。其具體操作為：把調(diào)制波頻率分為幾個(gè)載波比不相同的頻段，在各個(gè)頻段內(nèi)保持載波比恒定，通過配置單片機(jī)內(nèi)部的載波頻率實(shí)現(xiàn)輸出基波頻率的變化，即改變計(jì)數(shù)器的TOP值，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能。選取的原則為：

輸出頻率高的頻段采用低載波比，輸出頻率低的頻段采用高載波比。同時(shí)，載波比選取為3的倍數(shù)以得到嚴(yán)格對(duì)稱的雙極性SPWM信號(hào)。本系統(tǒng)中將頻段分成五段，具體見表1：

表1 頻率分段與載波比取值

對(duì)輸出電壓的實(shí)時(shí)反饋是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。電網(wǎng)的波動(dòng)或是負(fù)載的變化可能導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定，因此為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性，在系統(tǒng)中加入PID增量數(shù)字閉環(huán)控制，公式如下：

其中Kp=1/σ是比例系數(shù)，Kl=KpT/Tl是積分系數(shù)，Kl=KpTD/T是微分系數(shù)。結(jié)合單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換功能模塊與PID閉環(huán)控制，可以很好地修正各開關(guān)周期的脈寬，達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的目的。

四、逆變仿真結(jié)果

在逆變部分的仿真中，本系統(tǒng)使用的是M AT L A B中的SIMULINK組件。電路原理為利用PIC16F873單片機(jī)輸出PWM波控制IR2136進(jìn)而控制晶閘管的柵極導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)幅。

在此三相逆變電路中，運(yùn)用三相全橋進(jìn)行LC濾波之后得到輸出。同時(shí)，該系統(tǒng)中還包括一個(gè)電壓負(fù)反饋和一個(gè)電流負(fù)反饋系統(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)可以對(duì)一些擾動(dòng)起到一定的抵抗作用，使得輸出的三相電壓較為穩(wěn)定，有較好的相角裕度和一定的幅值裕度，但在實(shí)際的逆變過程中可能出現(xiàn)同一橋臂的兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通所導(dǎo)致的短路現(xiàn)象?？紤]上述情況后，對(duì)上述電路原理圖進(jìn)行了改進(jìn)，如下圖3所示，加入了死區(qū)，其仿真結(jié)果如圖 4所示：

圖3 帶死區(qū)的調(diào)制波、三角波調(diào)制電路

圖4 帶死區(qū)的調(diào)制波、三角波調(diào)制電路波形

在圖4中波形在下波峰處發(fā)生畸變，這是由于在下橋臂上引入了死區(qū)非線性所導(dǎo)致的結(jié)果，屬于附加畸變。

五、結(jié)論

上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工業(yè)條件下對(duì)于電源的要求可通過利用PIC16F873單片機(jī)輸出PWM波控制IR2136進(jìn)而控制晶閘管的柵極導(dǎo)通的方法實(shí)現(xiàn)，且該方法具有諧波較小、濾波電路較為簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。因此，它在高性能中變頻調(diào)速、直流并網(wǎng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，采用單片機(jī)來產(chǎn)生 SPWM信號(hào)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，是智能化電源領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢(shì)。