基於PIC單片機的逆變電源電路設計

　　針對現代電源變頻調幅的要求，提出了利用PIC16F873產生SPWM波控制IR2136觸發IGBT產生PWM波作用於逆變器產生標準的正弦波形，從而實現變頻調幅。同時利用AD模塊對逆變橋輸出進行採樣並進行濾波處理，實現對系統的PI閉環控制。通過MATLAB中的SIMULINK組件進行仿真分析，結果表明此方案輸出電壓動態響應速度快，具有良好的精度控制及實時性、波形失真小、可靠性高。

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　　隨著科學技術的進步，電源質量越來越成為各種電氣設備正常和良好工作的基礎。電源技術領域的一個持續的研究課題即是研究作為電子信息產業命脈的電源的可靠性和穩定性。

　　而逆變器作為電源的核心部分，其調製技術很大程度上決定了電源輸出電壓的質量。目前最常用的調製技術是正弦脈寬調製(SPWM)。隨著單片機的出現及其廣泛應用，智能化控制方法已經逐漸替代傳統的分立元件電路產生方法或是專用晶片產生方法。智能化逆變電源的優勢在於它不僅能實現調製信號的輸出，還為系統數據參數的監控、處理及顯示提供接口。同時它與現代計算機技術更好地結合產生了故障自診斷和自我保護功能，可提高系統的穩定性。

　　在充分考慮工業控制成本及穩定性要求的前提下，本設計採用PIC單片機作為控制核心，再輔助相關外部電路，組成一個具有穩定和智能化等優點的逆變電源控制系統。

　　具體電路設計

　　單相橋式逆變電路如圖1所示。[1]電路正常工作情況下，兩對開關管需要兩組相位相反的驅動脈衝分別控制，使VT1、VT4同時通斷和VT2、 VT3同時通斷。輸入直流電壓為220VAC，逆變器的負載為R.當開關VT1、VT4接通，VT2、VT3斷開時時，電流流過VT1、R和VT4，負載上的電壓極性是左正右負;當開關VT1、VT4斷開，VT2、VT3接通時，電流流過VT2、R和VT3，負載上的電壓極性反向，直流電即轉變為交流電。若要改變輸出交流電頻率，改變兩組開關的切換頻率即可，繼而得到正負半周對稱的交流方波電壓。負載為純阻型時，負載電流電壓波形相同，相位也相同;負載為感性時，電流滯後於電壓，二者波形不同。輸出為相當於三個差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。

　　產生PWM波晶片選擇

　　本設計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。由單片機對LC濾波後的電壓進行AD採樣，把所得的數據輸入到 PIC16F873單片機，由PIC16F873單片機晶片對數據進行處理，並輸出相應的SPWM信號給IR2136驅動電路，控制逆變電路的開關管通斷，從而控制逆變器的輸出，調節電流監測系統的工作溫度，保護控制系統電路。另設有鍵盤、控制頻率及幅值，同時顯示模塊，用於顯示系統的工作狀態。

　　PIC16F873單片機電路是此系統的控制核心電路，主要發揮以下兩個方面的作用：為驅動電路提供SPWM控制信號，控制逆變橋的通斷;對輸出電壓進行AD採樣。

　　集成電路IR2136晶片主要作用是產生相應的觸發電平來控制逆變電路的開關管通斷，從而控制逆變器的輸出。除此以外，由於系統輸出的不僅有SPWM波，還包含低次以及高次諧波。本設計採用了LC濾波電路以達到最終輸入標準正弦波的目的。

　　ω=2R/L為其截止角頻率，R為公稱阻抗，設截止頻率為fc，則有：

　　系統軟體設計

　　軟體設計的核心部分是SPWM信號的產生。本設計採用三角波作為載波、正弦波作調製波的對稱規則採樣法較為經典，得到一系列幅值相等但寬度不等的矩形波。然後使用在線計算的方法計算矩形波的佔空比：

　　設N為載波調製波比，即有N=fc/fr.其中fc為載波頻率，fr為調製波頻率。本系統的SPWM信號由單片機產生，故載波頻率可由下式計算：

　　其中，變量N代表分頻因子(1、8、64、256或1024)，fclki/o是MCU時鐘。

　　設M=UR/UC，為調製深度，其一般取值範圍為0~1，其中UC為載波幅值，UR為調製波幅值。改變調製波的幅值就能使輸出的基波電壓幅值發生變化。

　　根據規則採樣法的原理，假設一個周期內有N個矩形波，則第i個矩形波的佔空比Di為：

　　通過設置單片機，利用上述公式計算出佔空比使之與計數器的TOP值相乘形成一個正弦表。然後將數據送到比較寄存器中，配置單片機I/O口寄存器，在PD4口輸出SPWM信號。整個SPWM產生程序流程圖及實時反饋圖如圖2：

　　常用的正弦調製法分為同步調製法和異步調製法。同步調製法在調製波的頻率很低時，容易產生不易濾掉的諧波，而當調製波頻率過高時，開關元件又難以承受;異步調製法的輸出波形對稱性差，脈衝相位和個數不固定。本軟體設計時採用了分段同步調製法，[4-6]吸收上述兩種方法的優點，且很好地克服各自的缺點，得到特性較好的正弦波。其具體操作為：把調製波頻率分為幾個載波比不相同的頻段，在各個頻段內保持載波比恆定，通過配置單片機內部的載波頻率實現輸出基波頻率的變化，即改變計數器的TOP值，實現調頻功能。選取的原則為：

　　輸出頻率高的頻段採用低載波比，輸出頻率低的頻段採用高載波比。同時，載波比選取為3的倍數以得到嚴格對稱的雙極性SPWM信號。本系統中將頻段分成五段，具體見表1：

　　對輸出電壓的實時反饋是軟體設計的關鍵部分。電網的波動或是負載的變化可能導致輸出電壓不穩定，因此為了實現輸出電壓的動態穩定特性，在系統中加入PID增量數字閉環控制，公式如下：

　　其中Kp=1/σ是比例係數，Kl=KpT/Tl是積分係數，Kl=KpTD/T是微分係數。結合單片機中的A/D轉換功能模塊與PID閉環控制，可以很好地修正各開關周期的脈寬，達到動態穩定的目的。

　　逆變仿真結果

　　在逆變部分的仿真中，本系統使用的是MATLA B中的SIMULINK組件。電路原理為利用PIC16F873單片機輸出PWM波控制IR2136進而控制晶閘管的柵極導通，從而實現變頻調幅。

　　在此三相逆變電路中，運用三相全橋進行LC濾波之後得到輸出。同時，該系統中還包括一個電壓負反饋和一個電流負反饋系統。這樣的設計可以對一些擾動起到一定的抵抗作用，使得輸出的三相電壓較為穩定，有較好的相角裕度和一定的幅值裕度，但在實際的逆變過程中可能出現同一橋臂的兩個IGBT同時導通所導致的短路現象。考慮上述情況後，對上述電路原理圖進行了改進，如下圖3所示，加入了死區，其仿真結果如圖4所示：

圖4 帶死區的調製波、三角波調製電路波形

　　在圖4中波形在下波峰處發生畸變，這是由於在下橋臂上引入了死區非線性所導致的結果，屬於附加畸變。

　　結論

　　上述的實驗結果表明，工業條件下對於電源的要求可通過利用PIC16F873單片機輸出PWM波控制IR2136進而控制晶閘管的柵極導通的方法實現，且該方法具有諧波較小、濾波電路較為簡單的優點。因此，它在高性能中變頻調速、直流併網等領域有著廣泛的應用前景。同時，採用單片機來產生SPWM信號有著不可比擬的優勢，是智能化電源領域的必然發展趨勢。