基于單片機的小功率逆變器的設計與實現

摘要：為了提高逆變器的整體性能，以STC12C5A60S單片機為核心，設計并實現了一個小功率逆變器。通過單片機直接產生脈寬調制波，控制功率開關器件組成的橋電路實現逆變。根據單片機對外部電位器上電壓的采樣值對輸出電壓的幅值進行控制，使得輸出電壓幅度可調。采用數/模電路結合設計，使得逆變器的體積大大減小。硬件上的功能模塊化設計，使整個系統的檢測性和操控性大大加強。該逆變器電路簡單，工作穩定可靠，且易于升級，具有較大的推廣應用價值。

關鍵詞：逆變器； 單片機； 脈寬調制； 功率開關器

中圖分類號：TN91134； TM464文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2012)04019203

Design and implementation of lowpower inverter based on SCM

ZHU Liwei， Jiang Pinqun， LIAO Zhixian

(College of Electronic Engineering， Guangxi Normal University， Guilin 541004， China)

Abstract： In order to improve the overall performance of the inverter， a lowpower inverter taking STC12C5A60S singlechip microcomputer (SCM) as a core was designed and implemented. The SCM directly produces sinusoidal pulse width modulation (SPWM) wave to control the bridge circuit composed of power switching device to realize inverse transform. It can regulate the amplitude of the output voltage according to the voltage sampling value of the external potentiometer. A digilogue circuit was adopted in the design to make the size of the inverter reduced greatly. The modular design of hardware makes the whole system easy to test and manipulate. The inverter is simple， reliable and easy to upgrade. It has a popularization and application value.

Keywords： inverter; SCM; SPWM; power switch

收稿日期：20110926

基金項目：廣西高校重點建設實驗室項目（200912）；廣西研究生教育創新計劃資助項目（2011106020809M50）0引 言

逆變器是將直流電能變換成交流電能的電氣裝置，通常用大功率高反壓電力電子器件來實現［1］。太陽能發電中，光電池陣列所發出的電為直流電。但是，大多數用電設備的供電為交流電，所以電力系統中常需要將直流電變換成交流電的逆變器。此外，逆變器在工業控制、通信、交通等領域的應用也非常廣泛。正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM），是指以正弦波做調制波（Modulating Wave），以F倍于正弦調制波頻率的三角波做載波（Carrier Wave），進行波形比較后產生一組幅值相等、寬度正比于正弦調制波的矩形脈沖序列，來等效正弦調制波［2］。本文以STC12C5A60S單片機為核心，利用其內部兩路可編程計數陣列（PCA）模塊來模擬脈寬調制法［3］，設計并實現了一個輸出電壓幅值可調的小型逆變器。

1系統硬件設計

本文使用Altium Designer 6.9完成硬件電路原理圖和PCB圖的設計。圖1是該設計的總體電路結構圖。

圖1電路結構圖該設計實現的功能是將6 V的直流電通過三級功率變換（DCHFACDCLFAC）得到頻率為50 Hz，幅度為110 V的工頻交流電以供交流負載使用。現將硬件電路各部分的具體設計和功能作如下描述。

1.1電源模塊

使用直流到直流變換芯片MC34063與LM7805和LM7812組合得到12 V和5 V的直流電，為硬件電路的各模塊提供所需電源。

1.2前級升壓模塊

通過SG3525芯片與其外圍電路產生兩路互補的高頻PWM（Pulse Width Modulation）脈沖波，用這兩路高頻脈沖波分別控制由兩個MOS（IRF3205）管組成的單邊橋高頻逆變器，并與高頻變壓一起實現前級升壓。通過前級升壓，把6 V的直流電升到300 V左右的高頻交流電，為后面的工頻逆變做準備。

1.3整流器與濾波模塊

4個二極管組成整流橋電路對前級升壓模塊輸出的高頻交流電進整流，并且經過LC濾波器進行濾波作為工頻逆變橋電路的輸入。

1.4工頻逆變器MOS橋電路驅動模塊

該設計中驅動工頻逆變器橋的4個MOS管使用IR2110芯片來完成。單片機產生的兩路SPWM控制信號經過死區時間［4］后作為2片IR2110的邏輯輸入。用2片IR2110芯片組成的驅動電路輸出4路兩兩互補的信號，從而控制全橋逆變電路的上、下橋臂的通斷［56］，實現逆變功能。

1.5SPWM產生模塊

以STC12C5A60S單片機為核心構建的最小系統，作為模塊的控制部分。同時增加一個模/數轉換電路，通過讀取電位器上的電壓值，實現逆變器輸出幅值可調［7］。兩路SPWM信號由STC12C5A60S單片機PCA模塊輸出端P1.3口和P1.4口。其原理是用正弦表數據去設置STC12C5A60S單片機PCA模塊的比較寄存器的值確來模擬脈寬調制法，最終獲得寬度正比于正弦調制波的矩形脈沖序列來等效正弦調制波。產生兩路SPWM波的原理如圖2所示。

圖2兩路SPWM波形產生原理圖2系統軟件設計

該設計的控制芯片是宏晶公司的STC12C5A60S單片機，它的內部有兩路PCA模塊。預先通過Matlab計算出標準的工頻交流電的正弦表，以數組的形式存放在單片機內部擴展數據存儲器中。然后利用這個數據表去動態地設置PCA模塊比較寄存器的值，實現計數周期動態改變［8］，輸出的高電平脈沖寬度隨正弦規則變化［9］。

主程序流程圖如圖3所示，PCA中斷子程序流程圖如圖4所示。

3系統測試

3.1SPWM波形產生模塊測試

以單片機為核心構成的SPWM波形產生模塊通過程序控制運行后，可以得到兩路互補的SPWM波形，如圖5所示。用示波器截取了模塊的單路SPWM幾個細節片段圖，如圖6所示，脈寬是不斷變化的。

圖3主程序流程圖圖4中斷子程序流程圖3.2整體的系統測試

在輸入端輸入5 V的直流電，經過系統逆變以后，可以在系統的輸出端得到有效值為110 V，頻率為50 Hz的交流電。輸出電壓經示波器探頭衰減10倍以后接入示波器，得到如圖7所示圖形。示波器的另一路輸入是檢測全橋電路的左上橋臂的SPWM波形，而另一路剛好對應右上橋臂。

圖5兩路互補SPWM波形圖6SPWM細節圖圖7系統輸出波形圖4結語

該設計基于單片機控制的數/模混合電路的實現，使得整個硬件電路的體積大大減小。由于數字單片機的引入，可控性大大增強。

參考文獻

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