基于MSP430單片機(jī)的單相正弦波逆變電源設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸入直流電壓15V，輸出交流電壓有效值10V，額定功率10W，交流電壓頻率在20至100Hz可步進(jìn)調(diào)整。以MSP430單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生SPWM波控制全橋電路，然后經(jīng)過LC濾波電路得到失真度小于0.5%的正弦波。采用PID算法反饋控制使輸出交流電壓負(fù)載調(diào)整率低于1%，采用開關(guān)電源作為輔助電源、合理選用MOSFET等使系統(tǒng)效率達(dá)到90%，采用輸入電流前饋法來估計(jì)輸出電流以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)以及自恢復(fù)功能。

　　引言

　　要求實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)正弦波逆變電源，輸入直流15V，輸出交流電壓有效值10V，功率10W，且頻率20至100Hz步進(jìn)可調(diào)，要求波形無明顯失真，負(fù)載調(diào)整率小于1%，效率盡可能高，系統(tǒng)要具備過流保護(hù)以及自恢復(fù)功能。由于輸出功率較小，為了提高系統(tǒng)的效率，我們采用TI提供的MSP430系列超低功耗微控制器來產(chǎn)生SPWM波，配合TI超低導(dǎo)通電阻和快速導(dǎo)通MOSFET，在MOSFET的驅(qū)動(dòng)上使用TI開發(fā)的高驅(qū)動(dòng)能力半橋驅(qū)動(dòng)芯片UCC27211。系統(tǒng)簡潔明了，以最簡單的方法實(shí)現(xiàn)了所有的功能，且利用矩陣按鍵和LCD顯示設(shè)備為用戶提供了良好的交互界面。以下將集中講述系統(tǒng)的大體框架和具體的實(shí)現(xiàn)方法。

　　1 系統(tǒng)方案

　　設(shè)Ud為直流輸入電壓，Uo為輸出電壓。輸出電壓Uo的展開傅里葉級(jí)數(shù)為

　　考慮到系統(tǒng)效率，不需要進(jìn)行boost升壓，可以直接逆變。故本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。SPWM信號(hào)控制硬件全橋電路，然后經(jīng)過LC濾波電路可以得到正弦波。以MSP430單片機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)需要采樣電流量、控制硬件電路系統(tǒng)以及形成良好的人際交互界面。

　　1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

　　全橋逆變和LC濾波電路如圖2所示。L_PWM和H_PWM由43O單片機(jī)產(chǎn)生經(jīng)過6N137隔離進(jìn)入MOS驅(qū)動(dòng)芯片UCC27211驅(qū)動(dòng)全橋，后級(jí)LC濾波器的截止頻率為

　　可以濾除載波頻率?？紤]到MOS管需要相對(duì)較小的導(dǎo)通電阻RDS(on)和較小上升時(shí)間和下降時(shí)間的，本系統(tǒng)選用CSD19506。本系統(tǒng)需要驅(qū)動(dòng)全橋，為了提高M(jìn)OSFET的導(dǎo)通速度，降低開關(guān)損耗，因而選用TI提供的高速半橋驅(qū)動(dòng)芯片UCC27211。圖2是全橋部分電路圖。

　　1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖1，主程序框圖如圖3。程序執(zhí)行的流程如下所述：單片機(jī)上電之后，系統(tǒng)進(jìn)行按鍵、片上ADC12和LCD顯示屏初始化，程序查詢按鍵，若有相應(yīng)按鍵按下，修改正弦波頻率，然后AD采樣電流判斷是否過流；否則返回繼續(xù)查詢按鍵。如果輸出過流，程序?qū)㈥P(guān)閉SPWM輸出，延時(shí)自恢復(fù)；否則返回按鍵查詢。

　　2 技術(shù)細(xì)節(jié)

　　2.1 SPWM波的產(chǎn)生

　　本系統(tǒng)采用自然采樣法產(chǎn)生SPWM波，以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進(jìn)行比較，在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷。其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性，脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程，若采用實(shí)時(shí)計(jì)算的方式得到SPWM波的話，計(jì)算繁瑣，非MSP430所能勝任。本系統(tǒng)充分利用MSP430的定時(shí)器，搭建了一個(gè)簡易的DDS；讓其計(jì)數(shù)器作增減計(jì)數(shù)構(gòu)成三角波載波，再把正弦波表作為數(shù)組預(yù)先存入MSP430中，我們只需在定時(shí)器中斷中更新比較寄存器數(shù)值即可得到調(diào)制正弦波。由于MSP430定時(shí)器自帶比較功能，兩者比較即可得到SPWM波輸出，繼而撇開了繁瑣的超越方程求解。最終我們利用此方法得到的SPWM波濾波后的正弦波失真度達(dá)到了0.5%。圖4是自然采樣原理圖。

　　2.2 效率提高

　　影響逆變電源效率的因素有很多，比如系統(tǒng)的靜態(tài)損耗，輔助電源效率過低，構(gòu)成全橋的MOSFET帶來的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗過大以及橋路順時(shí)同時(shí)導(dǎo)通帶來的損耗等，針對(duì)這些問題，我們逐一提出了改善的方法。對(duì)于系統(tǒng)的靜態(tài)損耗，我們采用TI的低靜態(tài)電流芯片和超低功耗單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片，另外為了降低輔助電源帶來的損耗，我們采用開關(guān)電源作為系統(tǒng)的輔助電源，最大限度的提高輔助電源的效率；TI最新開發(fā)的超低導(dǎo)通電阻MOSFET有助于減少逆變電源開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，另外其超快的導(dǎo)通速度配合SPWM波死區(qū)時(shí)間的設(shè)定使得全橋的開關(guān)損耗大幅度降低。以上措施使得系統(tǒng)在滿載時(shí)效率高達(dá)90%以上。

　　2.3 輸出電壓PID調(diào)節(jié)

　　由于輸入電壓隨著負(fù)載變大會(huì)有降低，切系統(tǒng)濾波電感具有電阻成分，這些因素導(dǎo)致在系統(tǒng)開環(huán)下負(fù)載調(diào)整率較大，因此本系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋調(diào)整輸出電壓穩(wěn)定在10V。我們選用經(jīng)典PID反饋調(diào)整，對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，與參考電壓比較得到誤差電壓后進(jìn)行位移式PID調(diào)節(jié)，PID運(yùn)算輸出作為SPWM的調(diào)制度K，與正弦波表相乘后形成新的波表進(jìn)行生成SPWM波運(yùn)算。用此方法后負(fù)載調(diào)整率降到了1%以下，圖5是反饋過程框圖。

　　2.4 輸入電流前饋實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)

　　由于輸出電流是交流，且與系統(tǒng)不共地，為了不增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，本系統(tǒng)并沒有直接測量輸出電流來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，而是測量系統(tǒng)的輸入電流，由于實(shí)際中輸入輸出滿足Pout=Pin*η，而效率雖然隨著負(fù)載的變化而變化，但是總體來說相對(duì)穩(wěn)定，故可以采用二次擬合得到效率隨輸入電流變化的關(guān)系式，這樣可得到輸出電流表達(dá)式：Iout=Uin*Iin*η/Uout，繼而實(shí)現(xiàn)輸出電流的監(jiān)測。

　　3 逆變電源的應(yīng)用前景

　　逆變電源具備以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)變頻，逆變電源能將市電轉(zhuǎn)換為用戶所需頻率的交流電。

　　(2)變相，逆變電源能將單相交流電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為多相交流電，也能將多相交流電轉(zhuǎn)換為單向交流電。

　　(3)逆變電源能將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，能將低質(zhì)量的市電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。

　　正是由于以上的這些優(yōu)點(diǎn)，使得逆變電源在生活中得到了廣泛的應(yīng)用。就目前看來逆變電源已經(jīng)應(yīng)用于航空，航海，電力，鐵路交通，郵電通信等諸多領(lǐng)域。而且隨著大量研究的投入越來越多的領(lǐng)域都出現(xiàn)了逆變電源的身影。尤其是讓全世界都十分關(guān)注的能源問題和環(huán)保問題，逆變電源也正在被用于其中。現(xiàn)今最典型的當(dāng)屬太陽能光伏逆變器了，它的應(yīng)用使太陽能發(fā)電直接并入電網(wǎng)成為了可能?？偠灾?，越來越多的新興領(lǐng)域都在逆變器的伴隨之下誕生，縱觀它的發(fā)展趨勢，我們不難知道其應(yīng)用前景一片大好。