基于AVR單片機(jī)的數(shù)字正弦逆變電源設(shè)計(jì)

摘要：提出一種高性能的直流-交流(DC-AC)數(shù)字式正弦逆變電源的設(shè)計(jì)方法。采用SG3525A與AVR系列單片機(jī)AT90PWM2作為控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。SG3525A產(chǎn)生PWM波進(jìn)行前端的推挽升壓控制，通過(guò)直流母線上高電壓的負(fù)反饋，使得全橋逆變的輸入電壓保持穩(wěn)定。AT9OPWM2的波形發(fā)生器產(chǎn)生SPWM波形對(duì)后級(jí)全橋逆變進(jìn)行控制，通過(guò)采樣全橋逆變后的輸出電流以及輸出電容電壓，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制，使得逆變電源在各種不同類型負(fù)載條件下都能具備良好的輸出特性以及負(fù)責(zé)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1 kW樣機(jī)性能穩(wěn)定，逆變效率大于90％，在不同種類的滿功率的負(fù)載條件下均能保持電壓精度為220 V±l％，頻率精度50 Hz±O．1％，THD小于l％。
關(guān)鍵詞：數(shù)字式；逆變電源；AT90PWM2；雙閉環(huán)控制；SG3525A

    逆變電源應(yīng)用廣泛，特別是精密儀器對(duì)逆變電源性能要求更高。好的逆變電源不僅要求工作穩(wěn)定、逆變效率高、輸出的波形特性好、瞬態(tài)響應(yīng)特性好，還要求逆變電源小型化、智能化、并且具備可擴(kuò)展性。因此，這里提出一種基于AVR系列單片機(jī)AT90PWM2的數(shù)字正弦逆變電源，前級(jí)SG3525A采用PWM控制升壓電路實(shí)現(xiàn)輸入和過(guò)熱保護(hù)。后級(jí)單片機(jī)AT90PWM2使用單極性倍頻SPWM控制方式進(jìn)行全橋逆變，且進(jìn)行輸出保護(hù)。

1 總體設(shè)計(jì)及工作原理
    逆變電源的系統(tǒng)整體框圖如圖l所示，系統(tǒng)的主電路采用前級(jí)推挽升壓和后級(jí)全橋逆變的2級(jí)結(jié)構(gòu)，這樣可以避免使用工頻變壓器，有效降低電源的體積和質(zhì)量，提高逆變效率。其工作原理為：12 V的直流輸入電壓經(jīng)過(guò)濾波后推挽升壓和全橋整流升壓到350 V的直流母線電壓，再經(jīng)過(guò)全橋逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V／50 Hz的工頻交流電。

    為了減小輸入電壓的影響，采樣全橋整流后的輸出電壓作為反饋電壓來(lái)控制前級(jí)推挽升壓電路的控制器，調(diào)節(jié)SG3525A輸出PWM波形的占空比，使得直流母線的電壓始終保持在350 V。同時(shí)采樣輸出濾波電容上的電壓和輸出濾波電感上電流，采用電壓電流雙環(huán)控制，調(diào)節(jié)后級(jí)全橋逆變電路的SPWM的輸出，從而得到良好的輸出波形特性以及穩(wěn)定的負(fù)載特性。[!--empirenews.page--]

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 推挽升壓PWM波形的產(chǎn)生
    直流升壓電路采用推挽式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。電路中的功率管VQ1，VQ2通過(guò)SG3525A outputA，outputB交替產(chǎn)生的2路互補(bǔ)PWM波來(lái)控制通斷。SG3525A可以通過(guò)調(diào)節(jié)外接的電阻和電容來(lái)產(chǎn)生100Hz～500kHz之間的不同頻率段的PWM波形，其PWM波的頻率fPWM和外接電阻RT，RD，外接電容CT關(guān)系為：
   
    SG3525A通過(guò)反饋的直流母線電壓可自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM波的占空比，使得輸出穩(wěn)定。同時(shí)SG3525A具有電壓的輸入欠壓鎖定和PWM鎖定功能，一旦發(fā)生過(guò)流或者過(guò)壓的現(xiàn)象，可以迅速關(guān)斷PWM，保證了整個(gè)電路的安全性。
2．2 全橋逆變SPWM波形的產(chǎn)生
    SPWM波形由AVR單片機(jī)系列的AT90PWM2產(chǎn)生。AT90PWM2具有2個(gè)12位的波形發(fā)生器PSC0，PSC2，分別產(chǎn)生2路互補(bǔ)的SPWM信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后驅(qū)動(dòng)全橋逆變中的功率管。其中PSC0生成為VQ3和VQ4的控制信號(hào)，PSC2生成VQ5和VQ6的控制信號(hào)。
    選擇PSC工作在中心對(duì)齊模式，并且PSCO和PSC2工作在同步狀態(tài)。則PSC計(jì)數(shù)器從寄存器OCRnRB定義的最大值開(kāi)始計(jì)數(shù)，先減到零再加到最大值，當(dāng)PSC計(jì)數(shù)器的值與寄存器OCRnSB，OCRnSA的值相等時(shí)，則將分別改變PSCn輸出引腳PSCOUTn0、PSCOUTnl的電平。其三角波載波周期
fSPWM和PSC計(jì)數(shù)頻率fPSC以及寄存器OCRnRB、OCRnRA(n=O或2)的關(guān)系為：
   
2．3 全橋逆變電路
    逆變電路是逆變電源的核心組成部分，完成將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷旱倪^(guò)程。采用由4個(gè)IGBT作為功率管組成全橋逆變電路，該電路具有控制方便，功率管利用率高等特可以采用IR2110驅(qū)動(dòng)電路。IR2110采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。尤其是上管采用外部自舉電容，使得驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他驅(qū)動(dòng)器大大減少，如圖2所示。

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2．4 輸出LC濾波電路
    由于全橋逆變電路的輸出為50Hz的基波以及其他高低次諧波，為了得到純正的正弦波形，必須考慮設(shè)置濾波環(huán)節(jié)。因?yàn)橹C波主要集中在1倍和2倍fSPWM附近，所以設(shè)置截止頻率fc為fSPWM／5。則有：
       

    式中，R為直流側(cè)等效負(fù)載電阻，Vout為輸出的電流電壓，P為逆變器的額定功率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 單片機(jī)簡(jiǎn)介
    AT90PWM2是AVR系列單片機(jī)，該單片機(jī)主要特點(diǎn)有：1)高性能的8位RSIC結(jié)構(gòu)，l MIPS／MHz，支持最高16 MHz的時(shí)鐘；2)8 KB系統(tǒng)可編程(ISP)的Flash存儲(chǔ)器，支持自舉方式編程，512字節(jié)SRAM，512字節(jié)EEPROM；3)4路PWM通道提供各種PWM信號(hào)，并可以進(jìn)行死區(qū)設(shè)置；4)8路lO位ADC模塊，1個(gè)10位DAC模塊，2個(gè)模擬比較器；5)多達(dá)29個(gè)中斷源；6)支持UART，SPI，I2C通信方式。其引腳功能分布圖如圖3所示。

    其中，PSCOUT00～PSCOUT21引腳為SPWM波輸出引腳，用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管，SD引腳為IR2110的使能控制，用來(lái)開(kāi)通或者鎖定SPWM的導(dǎo)通。V_MAIN，V_OUT，I_OUT引腳分別用來(lái)采樣母線電壓，輸出電容電流以及電感電壓。單片機(jī)還包括使用LED報(bào)警功能，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇在過(guò)熱時(shí)啟動(dòng)散熱功能，ISP在線下載更新驅(qū)動(dòng)程序以及預(yù)留串口通信功能。
3．2 控制策略
    本數(shù)字系統(tǒng)采用電感電流反饋控制。將輸出電感電流引入控制系統(tǒng)，和輸出電容電壓一起形成雙閉環(huán)控制，通過(guò)采樣輸出電感電流和輸出電容電壓，用外環(huán)電壓誤差的控制信號(hào)去控制內(nèi)環(huán)電流，調(diào)節(jié)電流使輸出電壓跟蹤參考電壓值，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)由于存在內(nèi)環(huán)回路，增大控制系統(tǒng)帶寬，使得逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，輸出電壓的諧波含量減小，對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)能力加強(qiáng)。外環(huán)調(diào)節(jié)器可以按照負(fù)荷的變化相應(yīng)地調(diào)整內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的給定值，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的品質(zhì)，所以雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可使逆變電源的輸出性能得到較大的改進(jìn)。為了簡(jiǎn)化電壓外環(huán)設(shè)計(jì)，可將電流內(nèi)環(huán)看成一個(gè)比例環(huán)節(jié)，電壓外環(huán)看成一個(gè)PI環(huán)節(jié)。圖4為雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖。

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3．3 軟件流程
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括：硬件初始化模塊，正弦表初始化模塊，輸出保護(hù)模塊，雙閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊，中斷處理模塊。主程序和SPWM產(chǎn)生中斷處理模塊的流程分別如圖5(a)和圖5(b)所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果
    根據(jù)以上思想完成制作一臺(tái)1 kW的樣機(jī)，采用IRF3805作為推挽升壓的功率管，RHRP8120作為整流二極管，全橋逆變功率管則采用LRG4-PC50UD，SG3525A的PWM波頻率設(shè)置為80 kHz，SPWM波的頻率設(shè)置為10 kHz，輸出濾波電感L為2．5 mH，輸出濾波電容C為4．7 μF，可得正弦交流輸出電壓精度220 V±l％，頻率精度50 Hz±0．1％，THD小于1％。逆變效率大于90％，其空載和滿負(fù)載時(shí)的試驗(yàn)波形如圖6(a)和圖6(b)所示。

5 結(jié)論
    提出了一種前級(jí)由SG3535A控制推挽升壓和后級(jí)基于AT90PWM2的全橋逆變的數(shù)字式逆變電源的設(shè)計(jì)方法。使用AT90PWM2的波形發(fā)生器產(chǎn)生SPWM波形，有效簡(jiǎn)化電路，利用前端負(fù)反饋以及后端的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)使得逆變電源具備輸出電壓特性的高性能。預(yù)留的串口通信和在線下載功能使得逆變電源具備與上位機(jī)通信以及擴(kuò)展功能，完善的保護(hù)措施可使逆變電源在發(fā)生故障時(shí)，具有完善的指示和自動(dòng)處理功能。