一种用单片机制作的高频正弦波逆变器

1．引 言　

逆变器有方波逆变器和正弦波逆变器两大类，方波逆变器虽然结构筒单，造价低廉，但是由于谐波太多，不适合感性、容性电路的工作，而市场上的正弦波逆变器的价格普遍较高，使一些用户难以接受，从而限制了它的推广和应用。本文主要介绍一种简单实用的正弦波逆变器。

正弦波脉冲调制是正弦波逆变器的关键，它们都需要一个正弦波发生器，利用它产生的正弦波和三角波（锯齿波）进行比较，实现正弦波调制。产生正弦波的方法和途径很多。通常应用的方法有模拟式和数字式两类，通过不同的多种方式去实现。如用带滤波电路和正反馈放大器构成的正弦波振荡发生器电路，这是最常用的经典电路，但调整较复杂，频率精度不高。还有用函数发生器等方法产生正弦波电路。用大规模专用集成电路和单片机构成的正弦波脉宽调制电路。采用EPROM和D/A转换产生参考正弦电压也是一种常用方法。用DSP高速数据处理器实现脉宽调制是最新的一种方法，由于引入了计算机技术，需要增加大量的软件开发和设计工作，尽管电路的复杂系数和成本都有所增加，但它确实是大容量逆变器的一种优良设计方法。

基于上述情况，我们研究设计了一种用廉价的单片机实现正弦脉冲调制、逆变、控制及保护的电路，使逆变器的结构更为简单，性能稳定可靠。

2．脉冲调制波的产生

2．1　脉冲调制波的产生原理

用模拟方式产生正弦波脉冲调制波，需要用硬件产生一个频率为50Hz的参考正弦波（或100HZ的正弦波半波）和一个与载波（调制）频率一致的三角波或锯齿波。通过正弦波和锯齿波的比较，产生一组脉冲宽度按正弦波规律变化的脉冲波。

本设计中电路输出的脉宽调制波是通过正弦能量计算的办法，只须计算出正弦波1/4周期，即0°～90°的正弦波内相应周期上的脉宽和脉冲间隔，再通过镜象法，获得一组正弦波半波（0°~180°）内的脉冲宽度和脉冲间隔。输出的正弦波与脉冲调制波的关系如图1所示。图中：N为50Hz正弦波半周期所含脉冲个数；Um为正弦波波峰电压；T——正弦波周期，频率为50Hz时，T=0.02秒；αN为第N个脉冲对应的电度；

为第N个脉冲的宽度；γN为第N个脉冲与N+1个脉冲之间的的间隔。

图1　正弦脉冲调制能量等效图

图2　单片机部分程序流程图

根据正弦波能量等效法可得如下关系：

其中：

N=F/2f

f =50Hz为正弦波频率，F=12K为载波频率。因此可求得脉宽与输出正弦波的关系为：

余此类推。

输出脉冲的间隔为：

........

2．2　脉冲调制波的产生电路

脉冲调制波的产生电路如图3所示，该控制电路是以AT89C2051单片机为核心组成的逆变电路，该款单片机价格低廉，内置2K Flash ROM，2个定时器／计数器，以及丰富的I／O控制功能。在电路中，从单片机的P1.6和P1.7端分别输出相位相反，脉冲宽度为10毫秒(频率50Hz)的脉冲，它由单片机内部定时器产生，起控制正弦波逆变桥正半波或负半波导通的作用。P1.4和P1.5端输出相同的正弦调制脉冲，当P1.6有负脉冲输出时，P1.4才有输出，P1.7有负脉冲输出时，P1.5才有输出。调制脉冲的脉宽

是由上述公式所求得。本控制电路中，AT89C2051单片机采用24MHz的晶振频率，因为受到指令周期的限制，最大载波脉冲的频率取12K较为合适。编程计算出1/4周期正弦波相应周期上的各载波脉宽

，存入数据表中待用，在应用程序中，充分利用单片机的内部资源，用软件查表法逐一控制片内定时器输出调制脉冲，输出经滤波后生成一稳定的正弦波。单片机控制流程如图2所示。

图3中从单片机端口P1.7和P1.5输出的电压V1/F、V2F是两个频率为50周波，相位差180电度的方波脉冲。从P1.6和P1.4输出的电压V1/Z、V2Z是两组如图1所述的，相位差180电度的正弦波调制脉冲串。P1～P4是4个故障输入信号，P0是故障保护输出信号。逆变器的故障判断及保护均由单片机的软件实现控制。

3．正弦波逆变器

3．1　逆变器的电路原理结构

逆变器的电路工作原理图见图4所示。逆变器由辅助电源FDY；单片机脉冲调制及保护电路M1；上半桥驱动模块M4；下半桥驱动模块M5；保护模块M6；升压稳压模块M3；升压变压器T；逆变控制模块M2及输出滤波电路等几部份组成。由于采用了SMT工艺和模块化技术，使生产、安装、调试、互换及维护都非常方便。

3．2　逆变器工作原理说明

如图4所示，由高频变压器T1、场效应管Q1、Q2和控制模块M2组成推挽式高频逆变电路，它与整

流桥BR及电容器C1把蓄电池电压升至约280伏的电压，再经过升压稳压电路，输出320伏的稳定直流电压，为Q4～Q7组成的桥式正弦波逆变电路提供电源电压。升压稳压电路由电感Ll、场效应管Q3、控