基于PICFxx单片机控制的正弦波逆变电源设计

逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置。随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，但应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求，因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。  

随着数字信号处理技术的发展，以SPWM控制方式设计的逆变电源越来越受到青睐。本文介绍的SPWM逆变电源就是采用PIC单片机来实现SPWM控制和正弦波方式输出，而且电路简单，性能安全可靠，灵活性强，同时可以降低谐波，提高效率。  

1 SPWM逆变器结构  

逆变电源的拓扑结构有多种形式，图1所示是SPWM逆变电源的基本结构，它主要由变压器中心抽头推挽式升压电路、逆变电路、滤波电路、驱动电路和控制电路组成。控制电路主要包括MCU控制器、升压控制、电压检测和电流A／D检测所示等电路组成。  


  
2 SPWM逆变电源工作原理  

本逆变器电源的前级采用SG3525来交替输出两路PWM信号以控制开关管，然后经过高频变压器升压整流和LC滤波后产生400 V电压。再通过单片机编程产生等效正弦波的矩形脉冲波来控制逆变桥开关管的导通和关断。从而使其工作在SPWM控制方式。图2所示是其逆变电路的电原理图。图2中的左桥臂工作在高频调制方式，即Q1和Q3按照SPWM开通：右桥臂工作在高频调制方式，即Q2和Q4按照SPWM开通，最后经过滤波得到正弦波。  


  
3 SPWM正弦波脉宽调制方法  

SPWM正弦脉宽调制法是采用调制波为正弦波、载波为三角波的一种脉宽调制方法，可广泛应用于逆变器电源上。SPWM的输出波形控制算法有面积等效法、自然采样法、对称规则采样法、不对称规则采样法等，本文采用脉宽调制波的面积等效法来实现SPWM控制。图3所示是其SPWM波形图，该方法将半个周期的正弦波波形分成N等分，从而把该正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲所组成，这些脉冲宽度相等(都等于π／N)，幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果能把这种脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，并使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合。且使矩形脉冲和相应的正弦部分的面积脉冲量相等，那么，就可以得到相应的脉冲序列。这样，再使各脉冲的宽度按正弦规律变化，同时使矩形波与正弦波等效，就可以实现SPWM正弦脉宽调制。  


  
4 软件设计  

4．1 正弦波脉宽的生成  

根据正弦波脉宽调制(SPWM)的产生原理，若把U=Urmsintωt正弦波在半周期内N等分，第i个等分段正弦波的面积为Si，则有：  


  
若再使矩形波的幅值等于输入正弦波的幅值Urm，并使每段矩形波的面积等于对应段的正弦波的面积，那么，便可以得到矩形波脉宽的值为：  


  
由于脉冲宽度是按照正弦波的规律变化，故可把这些脉冲宽度DK的值编制成数值表，再用单片机通过查表输出脉冲序列。实验时，可采用载波频率fc=25 kHz，交流频率fs=50 Hz，载波比N=fdfs来确定正弦波离散点的个数，即一个周期内的脉冲个数(设N=500)。为了节省表的存储空间，实际编程时，可保存半个周期内的正弦波离散点，即保存N／2个点，然后用交替的方式输出SPWM波形来控制逆变桥的工作。  

4．2 SPWM的软件实现  

本系统以PIC16FXX单片机为核心，晶振选用20 MHz，指令周期为0．2μs，SPWM波驱动开关管的工作频率为25 kHz，那么，单片机中寄存器的初始化设置如下：  

首先设置PORTC为输出模式，即TRISC=0X00。设置*模块为PWM功能。同时必须在*XCON寄存器中设置*模块为PWM模式，即*xM3：CPxM0=11XX。  

然后再通过PR2来确定PWM的开关周期寄存器，并使TSFMW=(PR2+1)×4TOSC(TMR2 PrescaleValue)，fSPWM=1／TSPMW。因为工作频率f=25 kHz，故PR2=0XC7；且工作周期寄存器*RxL的值是可变的。  


  
在程序初始化完成之后，系统中的定时寄存器TMR2将启动并开始工作，此时，PWM单元的引脚输出为高电平；当TMR2>*Rxl时，PWM单元的引脚开始输出低电平；当TMR2=PR2时，TMR2被归0，并重新开始下一个周期计数，同时PWM单元重新输出高电平。当TMR2的中断标志位TMR2IF被置高电平时，系统将执行定时中断服务程序，图4所示是其SPWM流程图。中断程序 完成查找正弦表值和A／D取样值后，再进行PI调节，即可得出修正值，并将该修正值写入*RxL寄存器中。图5所示是该SPWM逆变器电源的输出波形图。  


  
5 结束语  

试验表明，基于HC单片机控制的逆变器电源可满足小功率逆变器的要求，而且可用单片机实现数字化SPWM波的控制。本方式不但比传统的模拟控制方式具有一定的优越性，而且该逆变器电源的效率更高、体积更小，同时还具有设计灵活、性能可靠，输出稳定，谐波小等优点。