基于PIC 單片機的單相逆變器的設計與實現

王鋒，潘夢鷂，呂小勇，陳少偉

（廣東工貿職業技術學院，廣東廣州，510510）

0 引言

近年來，隨著電力電子技術及微機技術的飛速發展，逆變器的應用領域日益廣泛。逆變器廣泛應用于工業、農業、交通、家電、醫療衛生、航空航天等各個領域，各種類型的逆變器及其控制策略也層出不窮[1-3]，掌握逆變技術研發、應用及逆變器運行維護、維修的技術人才也日益緊缺。為培養具備相關技術基礎的人才，各大本科院校及高職院校的工科類相關專業也設置了“電路基礎”、“電力電子技術”、“功率變換技術”等相關課程。

由于商用逆變器的驅動電路及其控制技術相對復雜，因此本科院校及高職院校關于逆變控制技術原理的教學過程，多停留在理論教學階段，學生難以進行逆變控制技術的實踐練習，而通常只有進入研究生學習階段，才能得到一定的實踐鍛煉機會，才能進一步加深對逆變控制技術的了解。

1 單相逆變器的原理框圖

為降低逆變控制技術原理的教學難度，提升教學效果，提高學生動手實踐的學習能力，本文設計了一個基于PIC 單片機的實用單相逆變器教學模型，該教學模型采用模塊化設計，每個模塊的功能相對獨立，每個模塊均從原理教學的角度出發，采用簡單實用的控制電路，每個模塊均可由學生手動焊接，將各模塊連接后可組成單相橋式逆變器。本文設計的單相橋式逆變器驅動電路相對簡單，整個逆變器教學模型的制作成本較低，方便學生動手實踐制作。學生通過動手搭建、調試逆變電路，可以進一步加深對逆變控制技術原理的理解，從而更好地掌握逆變控制技術原理。

本文設計的單相逆變器原理框圖如圖1 所示。

圖1 單相逆變器原理框圖

2 單相逆變器的硬件實現

■2.1 單相逆變器控制器模塊

單相逆變器控制器模塊為基于PIC16F877A 單片機的最小系統，該模塊內含控制器、電源、時鐘、復位電路及IO接口電路等。PIC16F877A 單片機內置PWM 發生器，用于產生1 路PWM 信號。為方便PWM 周期計算，時鐘電路頻率設計為1MHz，即一個機器周期為1μs。復位電路用于在系統故障時復位到初始狀態。IO 接口設計為2.54mm 間距的排針接口，可通過杜邦線與后續模塊連接，方便實用。單相逆變器控制器模塊原理圖如圖2 所示。

圖2 單相逆變器控制器模塊原理圖

■2.2 單相逆變器輔助電源模塊

單相橋式逆變器至少需要3 路獨立隔離電源驅動，本設計采用4 路獨立隔離電源。因多路隔離輸出開關電源制作工藝復雜，不利于初學的學生學習制作，故本設計的4 路隔離電源采用工頻變壓器及橋式整流器、三端穩壓器、電容濾波器等制作，其成本低、易制作，方便學生動手實踐練習。4 路隔離輔助電源經光耦驅動電路作為單相橋式逆變器功率開關的驅動輔助電源。4 路隔離輔助電源的4 路輸出彼此互相隔離，并且與前述單相逆變器控制器模塊的電源隔離。4 路隔離輔助電源的輸出均設計為直流15V、12V、9V 可選，可用于驅動由MOS管組成的逆變橋或由IGBT 組成的逆變橋。考慮降低電源電路的復雜性，方便焊接制作，電源模塊未設計負電源輸出。4 路隔離輔助電源模塊原理圖如圖3 所示，原理圖僅畫出15V DC 輸出部分，其左側輸入端子P1-P4 接一個220V/18V、4 路輸出的工頻變壓器，右側15V DC 輸出端子P5-P8 與單相逆變器驅動電路連接。

圖3 4 路隔離輔助電源模塊原理圖

■2.3 單相逆變器驅動電路模塊

單相逆變器驅動電路模塊通過反相器將控制器模塊產生的一路PWM 信號轉換為4 路兩兩互補的PWM 信號，并經4 路光耦隔離驅動電路將PWM 信號轉換為單相橋式逆變器4 個功率開關的門極驅動信號。4 路光耦隔離驅動電路電源采用前述的4 路隔離輔助電源。單相逆變器驅動電路原理圖如圖4 所示，左側P1 端子為信號輸入端，光耦輸入電阻R1-R4 選330Ω，工作電流約4mA，該電流在光耦及反相器正常工作范圍內；右側P2-P4 端子為驅動信號輸出端，分別與單相逆變器的4 個功率開關管相連，用以驅動逆變器的4 個功率開關管。

圖4 單相逆變器驅動電路原理圖

■2.4 單相橋式逆變電路模塊

單相橋式逆變電路可采用MOS 管（如IRFZ34）或IGBT 管（如FGA25N120AN）搭建，其原理圖如圖5 所示，左側P5 端子接動力直流電源，動力直流電源可由普通鉛酸電池、鋰電池或其它直流電源提供，選擇靈活、方便，易于獲取，但選擇時應保證直流電壓不超出單相橋式逆變器功率開關的工作范圍。右側P6 端子為交流輸出端，Q1-Q4 為功率開關管，P1-P4 端子與驅動電路連接，接收PWM 驅動信號。單相橋式逆變電路可根據控制器模塊的設定輸出方波交流電或正弦波交流電，其頻率及幅值由控制器設定。

圖5 單相橋式逆變電路原理圖

■2.5 單相橋式逆變器實物

據上述電路原理搭建的單相逆變器如圖6 所示，其中控制器模塊的單片機采用PIC16F877A；輔助電源模塊的變壓器采用220V/18V/10W一入四出的工頻變壓器，穩壓器采用L78XX 系列三端穩壓芯片；驅動電路模塊的光耦采用TLP250；單相橋式逆變電路的功率開關采用IGBT管FGA25N120AN。

圖6 單相橋式逆變器

3 單相逆變器的輸出控制

■3.1 方波交流電輸出控制

單相逆變器輸出方波交流電時，其控制較為簡單，通過PIC16F877A 單片機的定時器T0 產生一定頻率的PWM波，通過驅動電路驅動橋式逆變器即可，該頻率可由程序設定。圖7 為動力直流電源輸入12VDC，逆變器輸出頻率設定為50Hz 的方波交流電。

圖7 50Hz 方波交流電輸出

■3.2 正弦交流電輸出控制

3.2.1 SPWM 控制的基本原理

在控制理論中存在這樣一個重要結論：沖量（即變量對時間的積分）相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環節上時，其效果基本相同[4]。基于以上理論，為了得到按正弦規律變化且和正弦波等效的輸出波形響應，可以用若干個等幅而不等寬的脈沖代替一個正弦波，其原理如圖8 所示。

如圖8(a)，將正弦半波分成N/2 個等份，這些脈沖的寬度相同，等于2π/N，但幅值不等，幅值按正弦波幅值的變化而變化。若用相同數量等幅不等寬的矩形脈沖代替上述的正弦波脈沖，并使矩形脈沖和正弦波脈沖的中點重疊、對應部分面積相等，就得到了按正弦規律變化的、與正弦波等效的波形，即SPWM 波形，如圖8(b)所示。只要知道了正弦波的幅值、周期以及一個周期內的脈沖個數，就可以相應地計算出各個脈沖的時間間隔和寬度。

圖8 SPWM 基本原理波形

3.2.2 SPWM 波的生成方法

SPWM 波常用的生成算法包括對稱規則采樣法、不對稱規則采樣法以及面積等效法等[5]。面積等效法是基于采樣的沖量等效原理，用一系列等幅不等寬的脈沖（SPWM 波）代替等寬不等幅的正弦脈沖。設單相逆變器采用雙極性調制方式，如圖9 所示，任取一個PWM 周期內的一截正弦波，根據面積等效原理得：

圖9 面積等效法

將（2）式代入（1）式求得正向脈沖寬度：

其中，Udc為動力直流電源電壓，Um為正弦調制波的幅值，T 為正弦調制波的周期，TC為PWM 波的周期，ton為一個PWM 波周期內的正向導通時間（正向脈沖寬度），toff1+toff2為一個PWM波周期內的關斷時間（負向脈沖寬度），N 為一個正弦周期的等份數。

3.2.3 正弦交流電輸出控制

設定動力直流電源電壓Udc及正弦調制波的幅值Um為12V DC，正弦調制波的周期T 為20ms，PWM 波的周期TC為200μs，將正弦調制波100 等份（即N=100），則連續輸出100 個PWM 波剛好對應正弦調制波周期20ms。據前述面積等效法，可計算出100 等份PWM 波的占空比。

因PIC16F877A 單片機的占空比控制字為10 位，為便于操作，將占空比控制字低2 位固定設置為1，占空比控制字高8 位存放于寄存器CCPR1L 中，設置PIC16F877A 單片機定時器T2 的周期寄存器PR2 定時周期為200us。因8位寄存器CCPR1L 的最大值為255，需將計算所得按正弦規律變化的100 等份PWM 波的占空比換算至0-255 范圍內，具體如表1 所示。

表1 100等份按正弦規律變化的占空比值

在程序中通過查表方式輸出按正弦規律變化的SPWM波，再通過驅動電路驅動單相橋式逆變器，則可輸出雙極性調制的幅值為12V、頻率為50Hz 的等效正弦交流電，其電壓波形如圖10 所示。12V 交流電再經12V/220V 工頻變壓器升壓后，可得到幅值為220V、頻率為50Hz 正弦交流電。

圖10 雙極性調制50Hz 等效正弦交流電壓波形

4 結語

本文設計并制作了一個實用的單相逆變器，該逆變器采用模塊化設計，每個模塊均采用簡單實用的電路構建，其主要用于逆變原理教學，制作成本較低，方便學生動手實踐制作，學生通過動手搭建、調試逆變電路，可以更好地掌握逆變控制技術原理。為降低制作成本，該逆變器未設計電壓及電流閉環，有需要時可在該電路基礎上進一步完善相關功能。