基于單片機的SPWM控制逆變器的設計

張 悅 林 都 鮮 浩 范國浩（中北大學，山西 太原 030051）

基于單片機的SPWM控制逆變器的設計

張 悅 林 都 鮮 浩 范國浩
（中北大學，山西 太原 030051）

摘 要：本設計采用51單片機查表法，與IR2101芯片的對應引腳連接電路，輸出PWM信號以驅動雙極性控制的三相逆變電路。通過等面積 SPWM 算法來輸出高精度的SPWM波形，從而實現了逆變器的SPWM控制。通過建模仿真，運行結果，可以輸出SPWM波形。

關鍵詞：51單片機；逆變器；正弦脈沖寬度調制

1 引言

近年來，隨著電力電子技術迅速的發展，其應用領域已擴大到工業、商業、民用、軍事以及環境保護中。PWM調制技術以其控制簡單，靈活和動態響應的優點而成為電力電子技術最廣泛應用的調制方式，以及研究的熱點之一。本設計通過分析PWM調制技術，建模仿真，用單片機進行設計實現SPWM波形的輸出。

圖3 逆變器控制系統圖

2 逆變與PWM調制技術

2.1 逆變技術概念與分類

在電力電子技術中，將交流電能轉換成直流電能的過程叫做整流。與之相反，將直流電能轉換成交流電能的過程叫做逆變。逆變根據逆變電路輸出交流側交流電源的有無，可分為有源逆變和無源逆變。逆變電路根據直流電源的類型不同，又可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路。而實現逆變過程的裝置叫做逆變設備或逆變器。無源逆變電路輸出的頻率與電壓既可以是恒定的，也可以是可變的，它與有源逆變具有很大的差別。

圖1 三相逆變電路

圖2 三相逆變電路PWM波形

2.2 PWM調制技術

PWM（Pulse Width Modulation）調制技術是對于半導體開關器件的導通和關斷時間實現控制，通過對脈沖寬度進行調制，可以等效地獲得需要的波形的一種技術。三相逆變電路PWM調制技術，具有動態響應快，功率因素高，電路結構簡單的特點，在逆變電路中應用廣泛。如圖1所示為三相逆變電路，因為逆變電路的輸出波形可以得到接近正弦波的輸出電壓和輸出電流，對于各脈沖的寬度進行調制，不僅可以逆變電路輸出電壓的大小，而且可以改變輸出電壓的頻率。因此在大量應用的逆變電路中，大部分都是PWM型逆變電路。

2.3 PWM調制技術方法

目前脈寬調制的方法有很多，根據調制脈沖的極性可以分為單極性和雙極性調制兩種。一個逆變電路，是采用單極性還是雙極性調制，完全取決于主電路本身的結構。在某些逆變電路，如單相橋式逆變電路，可用單極性PWM調制方案，也可用雙極性PWM調制信號去控制，而三相橋式逆變電路則采用雙極性PWM調制信號去控制。如圖2所示三相逆變電路PWM波形。

圖4 三相逆變橋PWM輸出波形

本設計電路采用三相橋式逆變器，雙極性控制，設計基于等面積法產生SPWM波形。而等面積法的基本思想是將一個正弦波分成N等份，把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個與此面積相等的矩形脈沖代替。

3 具體實現

根據上述分析，用PROTUES軟件建

立仿真模型，逆變器控制系統仿真模型如圖3 所示。本設計采用51單片機查表法輸出PWM信號以驅動雙極性控制的三相逆變橋。由于單片機端口輸出電壓在5V左右，而驅動電壓應在12V左右，顯然通過單片機是無法直接驅動IGBT工作的。本設計在單片機和IGBT之間加入相應的驅動電路，選擇專用的IGBT驅動芯片IR2101來對IGBT進行驅動。

圖5 三相逆變橋中點輸出波形

結語

本次設計的SPWM信號發生器沒有采用SPWM波形發生器的集成芯片，擺脫了傳統的利用模擬數字電路對三角波和正弦波進行比較的思想。基于等面積法產生SPWM的基本原理，用單片機進行設計實現SPWM波形的輸出。其電路簡單、數字控制，實現三相SPWM脈寬波形的輸出。要實現控制策略，只需改變程序，無需改變線路的連接，這樣既經濟，又縮短了開發的時間，可以得到良好 SPWM 波形。

參考文獻

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