基于PIC系列單片機(jī)的SPWM逆變電源

徐紅麗 羅 奇 湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

本文主要敘述了一種以PIC系列單片機(jī)為基礎(chǔ)的SPWM電源。該電源的電壓為12V，并通過(guò)升壓環(huán)節(jié)以及SPWM逆變環(huán)節(jié)，獲得了優(yōu)質(zhì)正弦交流電。該設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的原理，在升壓模塊中，采用電壓負(fù)反饋，使得升壓之后的高電壓具有良好的穩(wěn)定性；在逆變部分則采用單片機(jī)的SPWM的控制方式，最大的可能減少諧波。單片機(jī)的數(shù)字化技術(shù)，電源的調(diào)節(jié)更加靈活，性能更好，為儀器設(shè)備提供一種高品質(zhì)的交流電源。

PIC系列單片機(jī)；SPWM逆變電源；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

高科技的不斷進(jìn)步，對(duì)電源的要求也越來(lái)越多元化。高品質(zhì)的電源是企業(yè)發(fā)展的重要保障，然而在工業(yè)生產(chǎn)中，如果直接將受污染嚴(yán)重的電源供應(yīng)給企業(yè)，那么無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)的生產(chǎn)需求。本文基于PIC系列的單片機(jī)設(shè)計(jì)的SPWM電源可以滿(mǎn)足企業(yè)的多樣化需求。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要以12V直流電壓輸入，輸出兩種不同頻率的正弦波交流電，每種頻率可以有13種電壓輸出值，可提供的功率范圍可從0達(dá)到200。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的直流推挽升壓模塊中，采用電壓負(fù)反饋；在逆變部分則采用SPWM的控制方式；在保護(hù)方式上采用輸入過(guò)則采用欠壓保護(hù)的方式。

1.單片機(jī)在市場(chǎng)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

PIC系列單片機(jī)由美國(guó)公司推出，其憑借獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在市場(chǎng)上占有一席之地。該美國(guó)公司在1989年首次推出第一款8位單片機(jī)，經(jīng)過(guò)14年的發(fā)展，其8位單片機(jī)的出貨量已經(jīng)躍居全球首位。該公司出產(chǎn)的單片機(jī)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有兼容當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上任何一款單片機(jī)的結(jié)構(gòu)，但在市場(chǎng)上受到如此的歡迎，并且獲得設(shè)計(jì)工程師的認(rèn)可，必然有其成功的道理。

該單片機(jī)從結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)上采用的是：總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，PIC單片機(jī)的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)采用的結(jié)構(gòu)為哈佛結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型指令與數(shù)據(jù)空間是完全分開(kāi)的，一個(gè)用于指令，另一個(gè)用于數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)程序和數(shù)據(jù)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，提高了數(shù)據(jù)的吞吐率；精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)：指令集少，指令字長(zhǎng)為12位、14位和16位，這些字長(zhǎng)位數(shù)都屬于單周期，一次取指，所以指令執(zhí)行采用的是兩級(jí)流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)。這也就是說(shuō)當(dāng)一條指令被執(zhí)行時(shí)，下一條指令同時(shí)能夠被取出，直接提高了運(yùn)行速度。寄存器組：PIC系列單片機(jī)的所有的寄存器，包括I/O 口、定時(shí)器以及程序技術(shù)器都采用的是RAM結(jié)構(gòu)的形式，這樣只需要一個(gè)指令周期就能夠完成訪(fǎng)問(wèn)以及操作；從使用上，PIC單片機(jī)滿(mǎn)足了MCU不同層次的需求。PIC系列的單片機(jī)總共分為三個(gè)系列為基本級(jí)、中級(jí)以及高級(jí)。

基本級(jí)系列的產(chǎn)品的特點(diǎn)是低價(jià)位，適用于各種對(duì)成本要求較低的家電產(chǎn)品；中級(jí)系列的產(chǎn)品屬于PIC系列中最豐富的產(chǎn)品系列。這種系列的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)的改進(jìn)，保持了較高的兼容性，并且其外部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，從8 引腳到 68 引腳的各種封裝均有，該產(chǎn)品的性能較高，其內(nèi)部帶有A/D 變換器、EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等接口。中級(jí)系列的產(chǎn)品適用于中高檔的電子產(chǎn)品。再有高級(jí)系列的產(chǎn)品，高級(jí)系列的產(chǎn)品的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快，適用于需要高速數(shù)字運(yùn)算的場(chǎng)合之中，再加上其具備在一個(gè)指令周期內(nèi)完成二進(jìn)制的乘法運(yùn)算能力，因此可以取代某些DSP產(chǎn)品，因此能夠在高中檔的電子設(shè)備中使用。

2. 基于PIC系列單片機(jī)的SPWM逆變電源設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

逆變電源的主要電路采用的是推挽升壓和全橋逆變兩級(jí)變換兩種方式，如圖1。

該電路的設(shè)計(jì)輸入12V的直流電壓，SG3525APWM控制電路，控制高頻交流生成電路中的兩開(kāi)關(guān)管輪流導(dǎo)通，在變壓器邊形成高頻的交流電壓，并經(jīng)過(guò)變壓器的整合，最終在濾波電容上獲得385V的直流電壓。由單片機(jī)PIC16F873A控制IR2110驅(qū)動(dòng)電路對(duì)逆變橋正弦脈寬調(diào)制主電路中的4個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行正弦脈寬調(diào)制，逆變?cè)谳敵鲭妷航?jīng)過(guò)電路輸出后，最終在負(fù)載上得到指定頻率與幅的正弦波交流電。

圖1 設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)框圖

該電路采用的高頻電壓器可以實(shí)現(xiàn)前后級(jí)的隔離，這種隔離有助于系統(tǒng)的安全。而在直流推挽電路中采用電壓反饋提高了系統(tǒng)抵抗輸入干擾的能力，保持系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定。另外如出現(xiàn)欠壓或過(guò)壓的情況，電路及時(shí)調(diào)整，當(dāng)沒(méi)有達(dá)到輸入要求時(shí)，SG3525A就會(huì)控制系統(tǒng)的升壓級(jí)停止工作。

2.1.1 直流升壓電路

因?yàn)樵叺碾妷狠^低，因此DC-AC-DC變換采用推挽式電路，推挽式電路使用的開(kāi)關(guān)器少，變壓器的體積比較小, 輸出功率大. 整流直流輸出穩(wěn)壓選用高頻LC濾波。

PWM控制電路選用SG3525A集成芯片,該集成芯片的OUTA、OUTB管腳交替輸出2路相反的方波脈寬調(diào)制信號(hào)，用來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。線(xiàn)路在經(jīng)過(guò)變壓器的升壓之后，在經(jīng)全橋整流進(jìn)行LC濾波，平滑供給負(fù)載電流。

2.1.2 SPWM波形電路

SPWM調(diào)制波形的產(chǎn)生主要由單片機(jī)完成。其采用了離線(xiàn)計(jì)算占空比、編制成數(shù)值表，在線(xiàn)實(shí)時(shí)查表，并以逐個(gè)周期修改占空比的方法。PIC系列的單片機(jī)性能突出，集合了多種外圍模塊，設(shè)計(jì)模塊主要包括TIME2、串行通信與B電平變化中斷模塊等。

2.1.3 逆變電路

在整個(gè)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，逆變主電路的主要組成為IGBT管，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)則采用了高壓MOS柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR2110。驅(qū)動(dòng)芯片與傳統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)思路完全不同，驅(qū)動(dòng)芯片主要特征表現(xiàn)為自舉電路，它能夠?qū)崿F(xiàn)全橋電路的IGBT管的驅(qū)動(dòng)，避免了傳統(tǒng)需要多個(gè)獨(dú)立電源的驅(qū)動(dòng)。

SPWM驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)在對(duì)角位置上的IGBT開(kāi)關(guān)管，讓其同時(shí)導(dǎo)通或截止。另外，應(yīng)提前設(shè)置脈沖延時(shí)，以保證上下橋臂的短路。下圖為逆變電路的基本構(gòu)成。

2.1.4 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

為了讓系統(tǒng)的電氣性能更好，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了帶負(fù)偏壓的IR2110驅(qū)動(dòng)電路。高壓側(cè)的負(fù)偏壓由C17、D18、R14產(chǎn)生。低壓側(cè)負(fù)偏壓的實(shí)現(xiàn)則通過(guò)逆變主電路的低壓端配合。兩路負(fù)偏置為負(fù)5.1V,選擇了小電流的齊納二極管。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，帶負(fù)偏壓的驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷效果得到了很大的提升。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

根據(jù)調(diào)制波與三角載波的對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣原理計(jì)算出每一個(gè)開(kāi)關(guān)器件在一個(gè)周期內(nèi)的通斷時(shí)刻，之后根據(jù)脈沖的寬度制作成數(shù)值表，并保存在單片機(jī)的存儲(chǔ)器之中。當(dāng)機(jī)器啟動(dòng)之后，程序執(zhí)行查表，之后根據(jù)數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)的脈沖，在經(jīng)過(guò)硬件的驅(qū)動(dòng)電路得到逆變橋開(kāi)關(guān)管的脈沖，以來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變橋工作。

2.2.2 SPWM波形主程序

首先執(zhí)行初始化程序，設(shè)置定時(shí)器、中斷應(yīng)用等特殊功能寄存器，之后進(jìn)入到SPWM程序中。

定時(shí)器溢出表示一個(gè)工作周期的結(jié)束，之后重新計(jì)時(shí)，程序重新運(yùn)行。在定時(shí)器運(yùn)行的過(guò)程中，主程序?qū)ο乱粋€(gè)運(yùn)行周期的PWM占空比進(jìn)行修改。

在程序中為了減小數(shù)值表的規(guī)模，但是在減少規(guī)模的情況下又不影響整個(gè)的控制效果?？梢愿鶕?jù)正弦波的對(duì)稱(chēng)性對(duì)數(shù)值進(jìn)行簡(jiǎn)單的處置，只需要原來(lái)的四分之一的占空比值就能夠完成整個(gè)周期的控制，縮小數(shù)值規(guī)模達(dá)四倍。

圖2 逆變主電路圖

3.實(shí)驗(yàn)調(diào)試與結(jié)果

3.1 直流推挽升壓電路

核心為SG3525A的PWM控制電路采用的控制方式為負(fù)反饋。反饋系數(shù)發(fā)生了改變的情況下，PWM的控制波形的占空比也會(huì)發(fā)生變化，直流高壓的輸出也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的改變。反饋系數(shù)跟PWM控制波形的占空比成反比。

3.2 調(diào)試結(jié)果

SPWM由單片機(jī)的CCP1腳與CCP2腳送出，頻率值與電壓值的改變，也會(huì)造成波形周期與占空比的改變。設(shè)置頻率為60Hz,電壓為150 V互補(bǔ)的SPWM波形可參照下圖。

圖3 SPWM波形

IGBT驅(qū)動(dòng)電路與逆變主電路的調(diào)試結(jié)果如下：PIC單片機(jī)發(fā)出的SPWM波形，在途經(jīng)IGBT橋時(shí)，若不加LC濾波，那么橋電路交流側(cè)得到的SPWM的波形為雙極性的，若加上LC濾波的情況下，那么得到的波形為正弦波形。

從上面得到的兩個(gè)波形可以看出，在頻率相同的情況下，若電壓值較小則波形線(xiàn)較粗，若電壓值較大，則波形線(xiàn)較細(xì)。這主要是因?yàn)樵谝粋€(gè)充放電的周期內(nèi)，低電壓的占空比要更小，高電壓的占空比要更大。綜上所述，這種電路的效率高、功能低、擴(kuò)展性好，因此具有良好的市場(chǎng)前景。

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徐紅麗（1983.8-）女，湖南常德人，講師，工程碩士。主要研究方向：電子信息工程技術(shù)