基于AVR單片機的數(shù)字正弦逆變電源設(shè)計

陳 富，黃大貴，黃逸平

（電子科技大學 機械電子工程學院，四川 成都611731）

逆變電源應(yīng)用廣泛，特別是精密儀器對逆變電源性能要求更高。好的逆變電源不僅要求工作穩(wěn)定、逆變效率高、輸出的波形特性好、瞬態(tài)響應(yīng)特性好，還要求逆變電源小型化、智能化、并且具備可擴展性[1]。因此，這里提出一種基于AVR系列單片機AT90PWM2的數(shù)字正弦逆變電源，前級SG3525A采用PWM控制升壓電路實現(xiàn)輸入和過熱保護。后級單片機AT90PWM2使用單極性倍頻SPWM控制方式進行全橋逆變，且進行輸出保護。

1 總體設(shè)計及工作原理

逆變電源的系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，系統(tǒng)的主電路采用前級推挽升壓和后級全橋逆變的2級結(jié)構(gòu)[2]，這樣可以避免使用工頻變壓器，有效降低電源的體積和質(zhì)量，提高逆變效率。其工作原理為：12 V的直流輸入電壓經(jīng)過濾波后推挽升壓和全橋整流升壓到350 V的直流母線電壓，再經(jīng)過全橋逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V/50 Hz的工頻交流電。

圖1系統(tǒng)的總體框圖Fig.1 Overall diagram of system

為了減小輸入電壓的影響，采樣全橋整流后的輸出電壓作為反饋電壓來控制前級推挽升壓電路的控制器，調(diào)節(jié)SG3525A輸出PWM波形的占空比，使得直流母線的電壓始終保持在350 V[3]。同時采樣輸出濾波電容上的電壓和輸出濾波電感上電流，采用電壓電流雙環(huán)控制，調(diào)節(jié)后級全橋逆變電路的SPWM的輸出，從而得到良好的輸出波形特性以及穩(wěn)定的負載特性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 推挽升壓PWM波形的產(chǎn)生

直流升壓電路采用推挽式，其結(jié)構(gòu)簡單，效率高。電路中的功率管VQ1，VQ2通過SG3525A outputA，outputB交替產(chǎn)生的2路互補PWM波來控制通斷。SG3525A可以通過調(diào)節(jié)外接的電阻和電容來產(chǎn)生100 Hz～500 kHz之間的不同頻率段的PWM波形，其PWM波的頻率fPWM和外接電阻RT，RD，外接電容CT關(guān)系為：

SG3525A通過反饋的直流母線電壓可自動調(diào)節(jié)PWM波的占空比，使得輸出穩(wěn)定。同時SG3525A具有電壓的輸入欠壓鎖定和PWM鎖定功能，一旦發(fā)生過流或者過壓的現(xiàn)象，可以迅速關(guān)斷PWM，保證了整個電路的安全性。

2.2 全橋逆變SPWM波形的產(chǎn)生

SPWM波形由AVR單片機系列的AT90PWM2產(chǎn)生。AT90PWM2具有2個12位的波形發(fā)生器PSC0，PSC2，分別產(chǎn)生2路互補的SPWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路隔離放大后驅(qū)動全橋逆變中的功率管[4]。其中PSC0生成為VQ3和VQ4的控制信號，PSC2生成VQ5和VQ6的控制信號。

選擇PSC工作在中心對齊模式，并且PSC0和PSC2工作在同步狀態(tài)。則PSC計數(shù)器從寄存器OCRnRB定義的最大值開始計數(shù)，先減到零再加到最大值，當PSC計數(shù)器的值與寄存器OCRnSB，OCRnSA的值相等時，則將分別改變PSCn輸出引腳PSCOUTn0、PSCOUTn1的電平。其三角波載波周期fSPWM和PSC計數(shù)頻率fPSC以及寄存器OCRnRB、OCRnRA（n=0或2）的關(guān)系為:

2.3 全橋逆變電路

逆變電路是逆變電源的核心組成部分，完成將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷旱倪^程。采用由4個IGBT作為功率管組成全橋逆變電路，該電路具有控制方便，功率管利用率高等特可以采用IR2110驅(qū)動電路。IR2110采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時提高了驅(qū)動電路的可靠性。尤其是上管采用外部自舉電容，使得驅(qū)動電源數(shù)目較其他驅(qū)動器大大減少，如圖2所示。

2.4 輸出LC濾波電路

由于全橋逆變電路的輸出為50 Hz的基波以及其他高低次諧波，為了得到純正的正弦波形，必須考慮設(shè)置濾波環(huán)節(jié)[5]。因為諧波主要集中在1倍和2倍fSPWM附近，所以設(shè)置截止頻率fC為fSPWM/5。則有：

圖2IR2110驅(qū)動電路Fig.2 Driver circuit of IR2110

式中，R為直流側(cè)等效負載電阻，Vout為輸出的電流電壓，P為逆變器的額定功率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 單片機簡介

AT90PWM2是AVR系列單片機，該單片機主要特點有：1）高性能的 8位 RSIC結(jié)構(gòu)，1 MIPS/MHz，支持最高 16 MHz的時鐘；2）8 KB系統(tǒng)可編程（ISP）的Flash存儲器，支持自舉方式編程，512字節(jié) SRAM，512字節(jié) EEPROM；3）4路 PWM通道提供各種PWM信號，并可以進行死區(qū)設(shè)置；4）8路10位ADC模塊，1個10位DAC模塊，2個模擬比較器；5）多達29個中斷源；6）支持UART，SPI，I2C通信方式。其引腳功能分布圖如圖3所示。

圖3AT90PWM2引腳功能圖Fig.3 Pin function diagram of AT90PWM2

其中，PSCOUT00～PSCOUT21引腳為 SPWM波輸出引腳，用來驅(qū)動功率開關(guān)管，SD引腳為IR2110的使能控制，用來開通或者鎖定SPWM的導通。V_MAIN，V_OUT，I_OUT引腳分別用來采樣母線電壓，輸出電容電流以及電感電壓。單片機還包括使用LED報警功能，驅(qū)動風扇在過熱時啟動散熱功能，ISP在線下載更新驅(qū)動程序以及預留串口通信功能。

3.2 控制策略

本數(shù)字系統(tǒng)采用電感電流反饋控制。將輸出電感電流引入控制系統(tǒng)，和輸出電容電壓一起形成雙閉環(huán)控制，通過采樣輸出電感電流和輸出電容電壓，用外環(huán)電壓誤差的控制信號去控制內(nèi)環(huán)電流，調(diào)節(jié)電流使輸出電壓跟蹤參考電壓值，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)由于存在內(nèi)環(huán)回路，增大控制系統(tǒng)帶寬，使得逆變器動態(tài)響應(yīng)加快，輸出電壓的諧波含量減小，對非線性負載的適應(yīng)能力加強。外環(huán)調(diào)節(jié)器可以按照負荷的變化相應(yīng)地調(diào)整內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的給定值，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的品質(zhì)，所以雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對負荷變化具有較強的適應(yīng)能力，可使逆變電源的輸出性能得到較大的改進[6]。為了簡化電壓外環(huán)設(shè)計，可將電流內(nèi)環(huán)看成一個比例環(huán)節(jié)，電壓外環(huán)看成一個PI環(huán)節(jié)。圖4為雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖。

圖4雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Diagram of double-loop control system

3.3 軟件流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包括：硬件初始化模塊，正弦表初始化模塊，輸出保護模塊，雙閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊，中斷處理模塊。主程序和SPWM產(chǎn)生中斷處理模塊的流程分別如圖 5（a）和圖 5（b）所示。

圖5系統(tǒng)流程圖Fig.5 Flow chart of sytem

4 試驗結(jié)果

根據(jù)以上思想完成制作一臺1 kW的樣機，采用IRF3805作為推挽升壓的功率管，RHRP8120作為整流二極管，全橋逆變功率管則采用IRG4PC50UD，SG3525A的PWM波頻率設(shè)置為80 kHz，SPWM波的頻率設(shè)置為10 kHz，輸出濾波電感L為2.5 mH，輸出濾波電容C為4.7 μF，可得正弦交流輸出電壓精度220 V±1%，頻率精度50 Hz±0.1% ，THD小于1%，逆變效率大于90%，其空載和滿負載時的試驗波形如圖 6（a）和圖 6（b）所示。

5 結(jié) 論

提出了一種前級由SG3535A控制推挽升壓和后級基于AT90PWM2的全橋逆變的數(shù)字式逆變電源的設(shè)計方法。使用AT90PWM2的波形發(fā)生器產(chǎn)生SPWM波形，有效簡化電路，利用前端負反饋以及后端的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)使得逆變電源具備輸出電壓特性的高性能。預留的串口通信和在線下載功能使得逆變電源具備與上位機通信以及擴展功能，完善的保護措施可使逆變電源在發(fā)生故障時，具有完善的指示和自動處理功能。

圖6輸出波形Fig.6 Output waveform

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