一款基于單片機(jī)的高效數(shù)控逆變電源

劉清萍，王楚鎣，張 勝

（南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，逆變電源作為一種直流-交流變換裝置，其數(shù)字化控制已成為必然趨勢(shì)。逆變控制技術(shù)是由早期的脈寬調(diào)制PWM發(fā)展為如今常用的正弦波脈沖調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）。SPWM技術(shù)具有電路簡(jiǎn)單和成本低的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)變頻控制要求。基于SPWM技術(shù)控制的逆變器具有輸出波形諧波分量少和變頻方便等優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于利用模擬控制和基于PWM專(zhuān)用芯片、SPWM專(zhuān)用芯片的逆變器，采用單片機(jī)數(shù)字控制的逆變器，可直接產(chǎn)生SPWM波，既顯著減少了逆變電源的元器件數(shù)量，提高了逆變電源的可靠性，增強(qiáng)了電源的自我保護(hù)能力，又保證了先進(jìn)控制方法和控制策略在逆變電源中的應(yīng)用［1］。系統(tǒng)由控制核心STM32單片機(jī)、IR2110驅(qū)動(dòng)模塊、全橋驅(qū)動(dòng)電路模塊及LC濾波器模塊等組成，功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1 SPWM信號(hào)生成方法

SPWM信號(hào)主要有模擬產(chǎn)生方法和數(shù)字產(chǎn)生方法，前者具有成本高、電路復(fù)雜、易受外界干擾、實(shí)現(xiàn)困難及不易改進(jìn)的特點(diǎn)；后者基于數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)SPWM信號(hào)的產(chǎn)生，靈活性大，調(diào)試簡(jiǎn)單，便于更改頻率和調(diào)制度等參數(shù)，并能結(jié)合智能控制算法提升電源的性能，如PID算法[2]。目前，一些專(zhuān)用芯片，如EG8010等SPWM信號(hào)產(chǎn)生芯片，還需要微處理去控制，控制復(fù)雜且成本高。本設(shè)計(jì)使用的控制核心STM32單片機(jī)，具有低成本、低功耗及高性能等特性，使用廣泛[3]。單片機(jī)軟件方式產(chǎn)生SPWM的方式主要有自然采樣法、直接等效法及規(guī)則采樣法。工程應(yīng)用中，一般要求算法盡可能簡(jiǎn)單、可靠[4]。直接等效法和自然采樣法相對(duì)于規(guī)則采樣法，諧波較小，但自然采樣法需消耗單片機(jī)大量時(shí)間來(lái)運(yùn)算，并占用大量?jī)?nèi)存資源。所以本文采用直接等效法實(shí)現(xiàn)SPWM波的產(chǎn)生，原理如圖2所示。直接等效法是依據(jù)面積等效原理，可根據(jù)載波周期計(jì)算出脈沖寬度。

圖2 面積等效法產(chǎn)生SPWM波原理δ

面積等效法要求圖2中面積S1與S2相等，可得：

其中，M為調(diào)制深度，f為正弦波頻率，N為半周期采樣點(diǎn)數(shù)，k為第k次采樣。

STM32單片機(jī)具有硬件PWM輸出功能，將正弦波平均分成400等份，通過(guò)式（1）計(jì)算得到數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)做成程序列表，存入單片機(jī)的ROM，然后單片機(jī)通過(guò)查表的方式產(chǎn)生數(shù)字SPWM波[5]。

為保證逆變橋不發(fā)生同臂直通現(xiàn)象，需合理設(shè)置互補(bǔ)SPWM波死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間設(shè)置越長(zhǎng)，逆變橋的安全性能越好，但隨著死區(qū)時(shí)間的增長(zhǎng)，逆變器的輸出電壓波形質(zhì)量變差，同時(shí)也將增大或減小逆變器的輸出電壓有效值，影響電源的性能和效率。STM32能輸出自帶死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)SPWM波，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)SPWM波死區(qū)時(shí)間隨輸出信號(hào)頻率的改變而自適應(yīng)調(diào)整，使互補(bǔ)SPWM信號(hào)的死區(qū)時(shí)間處于較優(yōu)范圍，保持了電源可靠性，提高了電源有效性，使輸出端輸出高質(zhì)量的正弦波。

2 逆變輸出電路設(shè)計(jì)

2.1 逆變?nèi)珮螂娐吩O(shè)計(jì)

逆變?nèi)珮螂娐罚ㄟ^(guò)四個(gè)開(kāi)關(guān)管的交替導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)電源極性的變換。全橋電路中，選用IRF3205場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)管。該場(chǎng)效應(yīng)管具有耐壓值大、導(dǎo)通阻抗極低、轉(zhuǎn)換速率快及高效可靠的特點(diǎn)。考慮單片機(jī)輸出的SPWM波電壓小且?guī)лd能力弱，選取了IR2110芯片用于驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路，以控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷[6]。

2.2 濾波電路的設(shè)計(jì)

單相全橋逆變電路輸出的信號(hào)為高壓SPWM波。該SPWM波除基波正弦波頻率外，還含有大量的開(kāi)關(guān)頻率和諧波分量，因此有必要外加濾波電路。由于電壓高且電流大，通常采用LC濾波電路。由于開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于基波頻率，LC濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。

系統(tǒng)的逆變輸出電路如圖3所示，通過(guò)兩片IR2110驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)橋式驅(qū)動(dòng)，橋式驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)LC濾波得到要求的正弦波信號(hào)[7]。

圖3 電路原理圖

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試儀器設(shè)備

測(cè)試儀器設(shè)備包括SPD3303X-E直流電源、SDM3055X-E五位萬(wàn)用表、SDG-1032X信號(hào)發(fā)生器及SDS-2104X示波器。

3.2 頻率測(cè)量結(jié)果

鍵盤(pán)設(shè)置參數(shù)頻率，測(cè)量實(shí)際輸出頻率結(jié)果如表1所示。

3.3 效率測(cè)量

輸入/輸出電壓和效率測(cè)量值如表2所示。

經(jīng)測(cè)試可知，該逆變電源能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)20～1 000 Hz（步進(jìn)1 Hz）的正弦信號(hào)，且電源逆變效率為85%～90%，逆變效率較高，應(yīng)用前景廣闊［8］。

4 結(jié) 論

本文基于STM32單片機(jī)、IR2110、全橋驅(qū)動(dòng)電路及LC濾波電路設(shè)計(jì)了一款逆變電源。該逆變電源較好地實(shí)現(xiàn)了輸出鍵盤(pán)設(shè)置20～1 000 Hz頻率精確可調(diào)地正弦交流電，交流電畸變小，可穩(wěn)定輸出，且具有死區(qū)自適應(yīng)功能，逆變效率高，工程應(yīng)用前景良好。

表1 頻率測(cè)量結(jié)果

表2 效率測(cè)量結(jié)果