基于ARM的正弦波逆變器設計

佛山華芯微特科技有限公司　梁永忠

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基于ARM的正弦波逆變器設計

佛山華芯微特科技有限公司梁永忠

文章介紹了以我司自主研發的基于ARM Cortex-M0的32位MCU為核心的正弦波逆變器設計方案，給出了逆變器的系統結構、SPWM波形產生方法、穩壓算法及核心程序設計。該逆變器通過帶載工作測試，效果良好，具有一定的實用價值。

正弦波逆變器；SPWM；穩壓；ARM

1　引言

逆變器是一種把直流電轉變成交流電的電子設備，在不能方便接入交流電的環境下可用逆變器連接蓄電池帶動各種電器及工具工作。按輸出電壓或電流波形分類，逆變器可分為方波逆變器和正弦波逆變器，前者雖然結構簡單、成本低，但電壓諧波多，不適合感性和容性負載工作；后者主要應用SPWM技術，電壓輸出波形不存在突變情況，負載適應范圍寬［1］。

目前SPWM波的產生方法主要有模擬和數字兩種方式，前者雖然電路成熟，實現簡單，但維護困難且不易改進，靈活性差；后者應用數字信號處理技術，減少了對硬件的要求，性能安全可靠，靈活性強。

2　系統結構

本方案的系統結構如圖1所示，主要由前級升壓電路和后級逆變電路兩部分組成。前級升壓電路由推挽升壓IC控制，將輸入DC12V升壓至DC310V以上，而且具有穩壓、過流保護功能；后級逆變電路由我司研發生產的32位MCU產生SPWM控制全橋電路，經LC濾波輸出正弦波，MCU通過采集輸出電壓、輸出電流實現穩壓、過流保護、短路保護等功能。本方案輔助功能包括用戶能通過調節電位器調整輸出電壓，而且可通過跳線設置輸出頻率，50、60Hz頻率可選。

圖1　系統結構圖

3　SPWM產生方法

SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈沖寬度調制），就是對一系列脈沖進行調制，使其脈沖寬度按正弦規律變化的一種脈寬調制方法。SPWM的輸出波形控制算法有自然采樣法、對稱規則采樣法和不對稱規則采樣法、面積等效法等［2］。由于前三種方法均需要不同程度的計算PWM的“開”“關”時間，需要占用一定的CPU資源而且程序編寫不靈活，本方案采用面積等效法實現SPWM。

圖2　面積等效法的基本原理圖

根據采樣控制理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。面積等效法的基本原理可用圖2所示說明，在各采樣周期內，均用一個與正弦曲線和時間軸所圍面積相等的等高不等寬的脈沖來代替，最終這一系列脈沖加在全橋電路上再經LC濾波可生成正弦波。為減少MCU的數值計算且程序編寫方便，本方案根據面積等效法的基本原理先計算出半周脈沖的寬度，并把這些數據存于MCU中，通過查表的方式生成SPWM信號控制開關器件的通斷，此法雖占用一定FLASH，但簡單易實現，靈活性大。

4　穩壓算法

本方案穩壓算法采用工業上常用且成熟的位置型PID算法。PID控制器由比例單元P、積分單元I和微分單元D三部分組成，比例控制可調節系統的響應速度，但會產生穩態誤差；積分控制可消除穩態誤差，但可能增加超調；微分控制可加快慣性系統響應速度以及減弱超調趨勢［3］。

PID控制器的動態方程如下式：

其中u為控制變量；e為給定量與輸出量的誤差；Kp為比例放大系數；Ki為積分時間常數；Kd為微分時間常數。將上式轉化為單片機可以處理的離散化公式得：

其中T為采樣周期。

PID控制的系統框圖如圖3所示，通過適當調節比例、積分和微分三個參數，可使輸出電壓根據負載的變化情況迅速穩壓而且穩壓精度高。

圖3　PID控制的系統框圖

程序設計給定量是用戶設定的輸出電壓，用戶可通過電位器調節，實際輸出量是逆變器的輸出電壓，通過精密電阻分壓，MCU通過AD采樣；控制變量是PWM的占空比，通過調整PWM的占空比從而實現穩壓。

5　核心程序設計

本方案程序是在我司自主研發的基于ARM Cortex-M0的32位MCU上開發的，此控制器最高可運行50MHz，內置16K/32K/64K字節FLASH存儲器，4K/8K/16K字節SRAM，提供 22MHz/44MHz精度為1%的內置時鐘，支持四級加密，支持ISP（在系統編程）及IAP（在應用編程）操作。外設串行總線包括I2C總線接口，工業標準的UART接口，SSI通信接口（支持SPI、Micro Wire及SSI協議）。此外還包括看門狗定時器，4組通用定時器（計數器），1組專用定時器（包含定時、捕捉、PWM等功能），3組（6通道）PWM控制模塊，12位逐次逼近型ADC模塊以及3路模擬比較器（運算放大器）模塊，同時提供欠壓檢測及低電壓復位功能。可以說，性能是非常強大的。

系統的核心程序是生成SPWM波并穩壓，此程序放在PWM中斷里完成，中斷頻率約18KHz。流程如圖4所示，PWM中斷程序里設定一個變量作為PID采樣周期計數器，當計數達到采樣周期后進入PID穩壓子程序計算控制變量并修正正弦表，否則按正常流程執行SPWM查表操作并設定PWM占空比。圖5所示是逆變的正弦波，有效值是220V，頻率是60Hz，從波形看出畸變很小。

圖4　流程圖

　圖5 逆變的正弦波

6　結束語

本文給出了以我司自主研發的32位MCU為核心的正弦波逆變器設計方案，通過帶載測試，本逆變器輸出正弦波諧波小，穩壓精度高，性能穩定，而且結構簡單，具有一定的實用價值。

［1］周志敏，周紀海，紀愛華.開關電源實用技術-設計與應用（第2版）［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［2］劉鳳君.正弦波逆變器［M］.北京:科學出版社，2002.

［3］陶永華.新型PID控制及其應用［M］.北京:機械工業出版社，2002.