一種用單片機制作的高頻正弦波逆變器

1．引言

　　逆變器有方波逆變器和正弦波逆變器兩大類，方波逆變器雖然結(jié)構(gòu)筒單，造價低廉，但是由于諧波太多，不適合感性、容性電路的工作，而市場上的正弦波逆變器的價格普遍較高，使一些用戶難以接受，從而限制了它的推廣和應(yīng)用。本文主要介紹一種簡單實用的正弦波逆變器。

　　正弦波脈沖調(diào)制是正弦波逆變器的關(guān)鍵，它們都需要一個正弦波發(fā)生器，利用它產(chǎn)生的正弦波和三角波（鋸齒波）進行比較，實現(xiàn)正弦波調(diào)制。產(chǎn)生正弦波的方法和途徑很多。通常應(yīng)用的方法有模擬式和數(shù)字式兩類，通過不同的多種方式去實現(xiàn)。如用帶濾波電路和正反饋放大器構(gòu)成的正弦波振蕩發(fā)生器電路，這是最常用的經(jīng)典電路，但調(diào)整較復(fù)雜，頻率精度不高。還有用函數(shù)發(fā)生器等方法產(chǎn)生正弦波電路。用大規(guī)模專用集成電路和單片機構(gòu)成的正弦波脈寬調(diào)制電路。采用EPROM和D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生參考正弦電壓也是一種常用方法。用DSP高速數(shù)據(jù)處理器實現(xiàn)脈寬調(diào)制是最新的一種方法，由于引入了計算機技術(shù)，需要增加大量的軟件開發(fā)和設(shè)計工作，盡管電路的復(fù)雜系數(shù)和成本都有所增加，但它確實是大容量逆變器的一種優(yōu)良設(shè)計方法。

　　基于上述情況，我們研究設(shè)計了一種用廉價的單片機實現(xiàn)正弦脈沖調(diào)制、逆變、控制及保護的電路，使逆變器的結(jié)構(gòu)更為簡單，性能穩(wěn)定可靠。

2．脈沖調(diào)制波的產(chǎn)生

2．1　脈沖調(diào)制波的產(chǎn)生原理

　　用模擬方式產(chǎn)生正弦波脈沖調(diào)制波，需要用硬件產(chǎn)生一個頻率為50Hz的參考正弦波（或100HZ的正弦波半波）和一個與載波（調(diào)制）頻率一致的三角波或鋸齒波。通過正弦波和鋸齒波的比較，產(chǎn)生一組脈沖寬度按正弦波規(guī)律變化的脈沖波。

　　本設(shè)計中電路輸出的脈寬調(diào)制波是通過正弦能量計算的辦法，只須計算出正弦波1/4周期，即0°～90°的正弦波內(nèi)相應(yīng)周期上的脈寬和脈沖間隔，再通過鏡象法，獲得一組正弦波半波（0°~180°）內(nèi)的脈沖寬度和脈沖間隔。輸出的正弦波與脈沖調(diào)制波的關(guān)系如圖1所示。圖中：N為50Hz正弦波半周期所含脈沖個數(shù)；Um為正弦波波峰電壓；T——正弦波周期，頻率為50Hz時，T=0.02秒；αN為第N個脈沖對應(yīng)的電度；

為第N個脈沖的寬度；γN為第N個脈沖與N+1個脈沖之間的的間隔。

圖1　正弦脈沖調(diào)制能量等效圖

圖2　單片機部分程序流程圖

　　根據(jù)正弦波能量等效法可得如下關(guān)系：

　　其中：
N=F/2f

　　f =50Hz為正弦波頻率，F(xiàn)=12K為載波頻率。因此可求得脈寬與輸出正弦波的關(guān)系為：

　　余此類推。

　　輸出脈沖的間隔為：

　　　　　　　　........

2．2　脈沖調(diào)制波的產(chǎn)生電路

　　脈沖調(diào)制波的產(chǎn)生電路如圖3所示，該控制電路是以AT89C2051單片機為核心組成的逆變電路，該款單片機價格低廉，內(nèi)置2K Flash ROM，2個定時器／計數(shù)器，以及豐富的I／O控制功能。在電路中，從單片機的P1.6和P1.7端分別輸出相位相反，脈沖寬度為10毫秒(頻率50Hz)的脈沖，它由單片機內(nèi)部定時器產(chǎn)生，起控制正弦波逆變橋正半波或負(fù)半波導(dǎo)通的作用。P1.4和P1.5端輸出相同的正弦調(diào)制脈沖，當(dāng)P1.6有負(fù)脈沖輸出時，P1.4才有輸出，P1.7有負(fù)脈沖輸出時，P1.5才有輸出。調(diào)制脈沖的脈寬

是由上述公式所求得。本控制電路中，AT89C2051單片機采用24MHz的晶振頻率，因為受到指令周期的限制，最大載波脈沖的頻率取12K較為合適。編程計算出1/4周期正弦波相應(yīng)周期上的各載波脈寬

，存入數(shù)據(jù)表中待用，在應(yīng)用程序中，充分利用單片機的內(nèi)部資源，用軟件查表法逐一控制片內(nèi)定時器輸出調(diào)制脈沖，輸出經(jīng)濾波后生成一穩(wěn)定的正弦波。單片機控制流程如圖2所示。

　　圖3中從單片機端口P1.7和P1.5輸出的電壓V1/F、V2F是兩個頻率為50周波，相位差180電度的方波脈沖。從P1.6和P1.4輸出的電壓V1/Z、V2Z是兩組如圖1所述的，相位差180電度的正弦波調(diào)制脈沖串。P1～P4是4個故障輸入信號，P0是故障保護輸出信號。逆變器的故障判斷及保護均由單片機的軟件實現(xiàn)控制。

3．正弦波逆變器

3．1　逆變器的電路原理結(jié)構(gòu)

　　逆變器的電路工作原理圖見圖4所示。逆變器由輔助電源FDY；單片機脈沖調(diào)制及保護電路M1；上半橋驅(qū)動模塊M4；下半橋驅(qū)動模塊M5；保護模塊M6；升壓穩(wěn)壓模塊M3；升壓變壓器T；逆變控制模塊M2及輸出濾波電路等幾部份組成。由于采用了SMT工藝和模塊化技術(shù)，使生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、互換及維護都非常方便。

3．2　逆變器工作原理說明

　　如圖4所示，由高頻變壓器T1、場效應(yīng)管Q1、Q2和控制模塊M2組成推挽式高頻逆變電路，它與整

流橋BR及電容器C1把蓄電池電壓升至約280伏的電壓，再經(jīng)過升壓穩(wěn)壓電路，輸出320伏的穩(wěn)定直流電壓，為Q4～Q7組成的橋式正弦波逆變電路提供電源電壓。升壓穩(wěn)壓電路由電感Ll、場效應(yīng)管Q3、控制模塊M3、D1、C2組成的。在逆變電路中，上半橋的兩個管Q4、Q6因其GS極都是懸浮的（沒有接地點），所以驅(qū)動電源由高頻自激振蕩器制作的輔助電源FDY模塊提供兩組獨立隔離的15V電源。模塊M4是用光電耦合器設(shè)計的上半橋(Q4、Q6管)隔離驅(qū)動電路，驅(qū)動信號來自單片機AT89C2051的P1.6和P1.7端口輸出的50Hz方波脈沖信號，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。模塊M5是相同的兩組用作電平轉(zhuǎn)換和功率放大的驅(qū)動電路，它分別直接驅(qū)動下半橋的Q5、Q7管，驅(qū)動信號來自單片機的P1.5和P1.6端口輸出的正弦波脈寬調(diào)制脈沖串，電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。橋式逆變電路的輸出經(jīng)過用鐵硅鋁磁環(huán)制作的電感L2和電容C3濾波后，輸出正弦波電壓。

　　　　
　　本逆變器的正弦波輸出電壓頻率精度是不容置疑的，不需任何調(diào)整。因為它是通過24MHz晶振分頻得到的。由于受程序指令工作周期的影響，導(dǎo)致單片機輸出的脈寬和脈沖間隔與計算值有所不同，使輸出波型產(chǎn)生一些小許的畸變和失真。因此，還需要在第一次調(diào)試過程中，對脈沖的寬度和間隔作某些簡單的實時修正，這樣就能使正弦波失真度更小。當(dāng)然，正弦波的失真度還與輸出濾波電路的電感、電容的取值也有關(guān)。

4. 逆變器的保護電路

　　有經(jīng)驗的設(shè)計者都會體會到，保護電路對電路的可靠性、性能及調(diào)試難易是一個不可忽視的重要部份。假如一臺逆變器直接起動800瓦的白熾燈負(fù)載，其瞬間功率將達到6－8千瓦，這一瞬時的浪涌功率，對逆變電路功率器件來講是完全可以承受的。但是，如果保護電路誤判為短路狀態(tài)，逆變器的性能指標(biāo)則達不到技術(shù)要求，使整機的負(fù)載性能降低。過載保護，過熱保護，電池低壓保護等環(huán)節(jié)都需要一個時間相對準(zhǔn)確的特定延遲。如果用RC模擬電路延時，由于元器件參數(shù)的分散性，會導(dǎo)致延時時間不準(zhǔn)確，同時增加了電路元器件的用量。

　　本逆變器的保護模塊M6僅用四個簡單的比較器電路組成，分別施加了負(fù)載電流、電池電壓、溫度傳感電壓信號。當(dāng)電路工作不正常時，模塊M6輸出的電壓分別送至單片機的P3.2～P3.5四個輸入端，經(jīng)由單片機控制程序作判別或延遲后，從P1.1～P1.3、P3.7四個輸出端口發(fā)出故障指示，用LED指示燈顯示故障的狀況，而由P3.0輸出的電平則執(zhí)行保護動作。通過這一辦法使保護電路既簡單又可靠。

5．結(jié)束語

　　本文提出的用單片機控制的高頻正弦波逆變電路，使用價格低廉的８位帶電刷寫Flash
ROM單片機實現(xiàn)正弦波的脈寬調(diào)制及保護控制，并且在單相1千瓦以下的小型逆變器上作了實際應(yīng)用，其電路調(diào)試簡單，輸出電壓穩(wěn)定，工作可靠，性能良好。主要缺點是空載輸出波型失真稍大，但由于其電路簡單，工作可靠，軟件開發(fā)量小，不失為一種小型逆變器設(shè)計的新思路。

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