基于单片机与SPWM控制应急电源逆变电路设计

　　摘要：
　　逆变器是应急电源的重要组成部分。为了实现应急电源中逆变器输出交流电压的适时调节，减小输出电压谐波达到逆变电路数字化控制目的，三相逆变电路采用了正弦脉宽调制(SPWM)控制方法，以C8051F020单片机和SA4828为核心，完成对SPWM波的产生及系统的控制。利用单片机特有的端口连接完成外围控制功能，这样就减少了应急电源对波形产生的处理时间，保证波形具有较高精度，而且电路硬件连接简单。
　　引言
　　随着社会发展，越是信息化、现代化，就越依赖于电力，突然断电会给人们正常的生活秩序和学习带来影响，尤其对于生产、生活中特别重要的负荷，一旦中断供电，将会造成重大的经济损失。应急电源产品已成为很多重要场所必不可少的重要设备，也是能够最有效地解决停电事故和电力质量不稳定等问题的有效途径，而逆变电路是应急电源的重要组成部分。逆变电路在应急电源中的作用是当市电断电或发生异常时，将蓄电池提供的直流电压逆变为三相交流电输出，以保证重要负荷或设备的正常运行。目前，逆变电源大多采用正弦波脉宽调制(SPWM)技术，其控制电路大多采用模拟方法实现。模拟控制技术虽然已经非常成熟，但存在很多缺点如：控制电路的元器件多，电路复杂，体积较大，灵活性不够等。本文设计了一种全数字化的三相PWM逆变电源，利用专用SPWM波形发生器与单片机连接产生逆变驱动信号SPWM波，设计中选用了单片机C8051F020控制和MITEL公司的SA4828芯片作为波形发生器。
　　逆变电路的结构与工作原理
　　图1是逆变电路的构成。由蓄电池提供的直流电通过三相逆变电路变为交流电，其基波频率是逆变电源的输出频率，该交流信号经过输出变压器隔离，再由低通滤波器滤去谐波，获得负载所需的三相正弦交流电。
　　


　　图1逆变电路的结构
　　在逆变电路中，逆变器及其控制是逆变电路的核心。逆变器的控制采用SPWM控制方式，本文利用SPWM波发生器和单片机实现对逆变器及输出电压的控制。由控制器产生的SPWM波控制开关器件的通断，从而控制输出电压及其波形，并使输出电压稳定。
　　三相逆变器主电路设计
　　三相逆变器主电路如图2所示，是由三相逆变桥、变压器、滤波器组成。
　　


　　图2 三相逆变主电路图
　　逆变器开关器件采用6单元IPM智能功率模块。LCR低通滤波器中电感L的作用是抑制高次谐波通过;电容C为逆变器产生的高次谐波提供旁路;电阻R起阻尼作用，防止或抑制谐波的产生。在市电工作中断或者不正常时，蓄电池电压被加到直流总线上，通过由智能功率模块组成的逆变器，然后通过由LCR组成的滤波器和三相功率变压器，形成相电压为220 V的三相正弦交流电给负载供电。三相逆变器的开关器件采用日本富士公司型号为PM100CVA60六单元IPM智能功率模块，其耐压可达600 V，集电极最大允许电流100 A，安全工作区较宽，驱动功率小、开关频率高、饱和压降低。另外该模块还具有带过流控制、滤波器体积小、噪声低、易散热、可靠性高等特点。模块的驱动信号为正弦脉宽调制(SPWM)信号。
　　功率元件智能功率模块IGBT-IPM是以功率器件IGBT为主体，同时把驱动电路、多种保护电路及报警电路等功能电路集成在同一模块内的新型混合集成电路。用智能功率模块作为电源的功率器件，可以简化硬件电路的设计，缩小电源体积，更主要的是提高了系统的安全性和可靠性。在选用智能功率模块IPM时，根据电压和电流的定额选择。功率元件的电流定额考虑(2～3)倍的安全裕量。计算电流时应满足在输入电压波动为最低时仍能满足输出功率。根据给定的技术参数计算功率元件的最大输出功率、额定电流值、额定电压值，最终选用100 A/600 V的智能功率模块，型号为PM100CVA60.
　　逆变控制器设计
　　控制电路的功能主要是产生SPWM驱动信号。SPWM是实现逆变器输出交流电压调节、减小输出电压谐波的一种控制方法。利用SPWM控制构成的逆变器调节性能好，调节速度快，可使调节过程中频率和电压相配合，以获得好的动态性能，输出电压波形接近正弦。为了实现此功能及逆变电路的数字化，本文利用单片机和专用SPWM波形发生器SA4828集成电路构成逆变控制器。该种方法软件编程简单，应急电源对波形产生的处理时间少，并能保证波形具有较高精度，而且硬件连接简单。
                               
                　　1、三相SPWM波形发生器SA4828
　　1.1、SA4828的性能特点
　　SA4828是英国MITEL公司研制出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成电路芯片。具有精度高、抗干扰能力强、外围电路简单、无温漂等优点，主要用于逆变电源、变频调速及应急电源等工业领域。芯片的主要特性是：具有增强型微处理器接口，可与更多单片机兼容;可以单独调整各相输出，可以用于任意不平衡负载;内置“看门狗”定时器进行监控，程序运行安全可靠;提供了软复位控制功能;调制波频率采用16位，增加了频率的分辨率，提高了逆变器输出频率的精度;片内ROM提供三种可供选择的波形，适用于多种应用场合，其中能提供的纯正弦波可用于静止逆变电源和单相交流调速。
　　1.2、SA4828的工作原理
　　SA4828原理框图如图3所示。它接收并存储微处理器初始化命令和控制命令，主要由总线控制、地址/数据总线、存储器、控制寄存器组成，以控制字的形式实现。三相输出控制电路的每相输出控制电路由脉冲取消和脉冲延时电路构成，脉冲取消将脉冲宽度小于取消时间的脉冲去掉，延时电路保证死区间隔，以防止在转换瞬间桥路开关器件出现直通现象。
　　


　　图3 SA4828原理
　　三种不同波形的选择通过传输给初始化寄存器和控制寄存器的命令来设置三种波形ROM.“看门狗”电路在接受单片机发出的命令时，一旦出现问题，总线控制会发出复位“看门狗”信号，使“看门狗”延时关断驱动信号。SA4828增设了8个寄存器单元以提高频率精度及能独立控制三相波形幅值。系统进行初始化时，微处理器通过SA4828内部的总线控制和译码电路向其初始化寄存器中写数据，完成载波频率、调制频率的范围、脉冲延迟时间及计数器复位的设置。在运行过程中，实时地向控制寄存器中写数据，实现对调制波频率、调制波幅值、正/反转、过调制、输出禁止等参数的刷新，使RPHT，RPHB，YPHT，YPHTB，BPHTB，BPHT6个引脚输出的SPWM信号发生改变。
　　2、控制电路硬件设计
　　以SA4828与单片机C8051F020为核心构成的控制器电路设计如图4所示。控制电路根据给定的参数输出三相SPWM信号给智能功率模块IP-M，实现对功率晶体管的通断控制。C8051F020通过8位P0端口与SA4828的地址、数据管脚AD0～AD7相连，工作时，单片机首先对SA4828进行初始化，定义载波频率，电源频率范围、死区、最小脉冲取消时间等参数。然后向SA4828的控制寄存器传送电源的频率控制字和幅度控制字等参数。正常工作时，根据需要对SA4828的控制数据进行修改，实现系统的反馈与实时控制，以及调压控制。为实现系统的稳压功能，采用平均值反馈PI调节。输出电压经隔离送入C8051F020单片机的A/D转换口即P3.0口，转换结果参与PI运算，运算结果即为SA4828幅度控制寄存器的控制字。从RPHT～BPHB的6个引脚输出相应频率和电压的SPWM控制信号，经隔离电路后，分别控制智能功率模块IPM的6个IGBT的导通与截止，最后在3个输出端上产生对称的三相SPWM电压。SA4828作为单片机的外设，与单片机并联，通过对单片机编程，只需将SPWM的初始化信息和控制信息写入SA4828的相关寄存器，即产生精确的全数字化的三相的SPWM波形。
　　


　　图4 SA4828的接口
                               
                　　3、控制电路软件设计
　　软件是逆变器控制系统的核心，它决定逆变器的输出特性。SA4828产生SPWM信号的程序流程如图5所示。
　　对SA4828芯片的控制是通过微处理器接口将相应的参数送入芯片内部的2个48位的寄存器R14，R15来实现的，它们是初始化寄存器和控制寄存器。数据先被读入一系列临时寄存器R0～R5中，然后通过一条虚拟的写操作将数据传送至相应的R14，R15寄存器。单片机先将SA4828复位，向其传送初始化参数和控制参数后，SA4828即可以输出SPWM波，逆变器随后处于工作状态。同时单片机不断查询输出状态，以便随时调整SPWM输出特性。对SA4828芯片的控制是通过微处理器接口将相应的参数送入芯片内部的两个48位初始化寄存器R14和控制寄存器R15来实现的。数据先被读入临时寄存器R0～R5中，然后通过一条虚拟的写操作将数据传送至相应的R14，R15寄存器。只要系统正常工作，看门狗定时器就不断被更新，以防止其溢出而中断SPWM输出。逆变器控制系统的主程序流程图如图6所示。
　　


　　图5 SA4828产生SPWM信号流程图
　　


　　图6 逆变器控制系统
　　单片机在初始化程序中完成对单片机、SA4828以及其他可编程器件的初始化，接着对市电进行检测，如果市电不正常，则启动逆变器工作，通过控制将开关元件切换至逆变器输出。并将输入状态存入控制寄存器，显示数据，如果输出电压或保护等发生改变，则报警输出以采取措施使系统正常运行。
　　结语
　　逆变主电路采用的智能功率模块不仅使电路结构简单，而且使得出现的浪涌电压、门极振荡、噪声引起的干扰等问题能有效得到控制。三相逆变电路SPWM控制方法，利用专用SPWM产生器和单片机构成逆变器的控制系统，设计简单，控制电路使用器件少，因而可降低成本、提高可靠性。