基于SPWM 技术的独立逆变电源设计

梁美丽 山西轻工职业技术学院 030013

【文章摘要】

逆变电源的种类繁多，其工作原理都是将蓄电池储存的能量转变成为PWM 脉宽调制波形，再通过升压变压器输出，达到DC/AC 的转变。简单的逆变电源输出是近似方波的50Hz 的PWM 波形。只能用于非正弦波工作的电器设备。较复杂的逆变电源输出是近似50Hz 正弦波的S-PWM 波形， 可满足对正弦波形和频率要求较严格的电器设备。有现成的S-PWM 集成电路可以组成逆变电源。但本文独辟蹊径，利用廉价的单片机实现智能化的S-PWM 逆变电源。

【关键词】

单片机；S-PWM 逆变电源

随着社会的发展, 各种新兴的能源形式也不断涌现，, 逆变电源被应用于各项领域比如各类交通工具, 汽车、舰船还有飞行器等等, 在太阳能和风能发电领域, 逆变电源也有着不可替代的作用。逆变电源, 将直流电( 蓄电池、开关电源、燃料电池等) 转换成交流电为电器提供电能。生活中如笔记本、手机、数码相机以及各类电器都可用小型逆变电源供电，另外小型逆变电源还可在汽车、轮船、便携供电设备得到利用。正弦波逆变电源的研制为人们带来了可观的经济效益和社会效益。考虑到逆变电源的通用性与稳定性, 本系统首先对逆变电源的输出波形做了深入的分析, 以SPWM 波形为切入口，, 采用高速单片机89C2051 作为控制核心, 使用VB 语言编程, 实现对电路的控制, 得到了一个频率在一定范围内可变, 电压可调节的通用逆变电源, 为一般性的负载提供电源。

逆变电源总体设计方案

逆变电源由DC/AC 逆变部分、功率驱动部分、过流欠压保护部分、充电部分、A/D 转换和输出电压显示部分等六部分组成。其中DC/AC 逆变部分由单独的一片单片机完成。输出电压显示部分由另一片单片机组成。其它部分受控或控制这两个单片机的工作完成各自的功能。本文重点分析DC/AC 逆变转换部分的SPWM 波形产生过程。

1 DC/AC 逆变的转换

要想实现将直流电转变成交流电，最重要的一个问题是怎样产生S-PWM（正弦波脉宽调制）波形。他的的理论基础是面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，效果基本相同。所以通过一系列脉冲的宽度进行调制，就可以等效的获得所需要的波形，若要改变等效输出正弦波的幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。以往实现这一波形硬件电路通常是在比较器输入端输入50Hz 的正弦交流电，另一端输入一锯齿波，经过比较后得到S-PWM 波形。本文独辟蹊径，先对正弦波进行归一化取样、量化、编码，将正弦波转化为二进制编码， 然后利用二进制编码控制单片机结合后续电路输出S-PWM 波形。

1.1 取样、量化、编码

取样定理论述了在一定条件下，一个连续信号完全可用离散样本值表示，然后利用这些样本值可恢复原信号。取样频率越大，还原波形越好，失真越小。我们拿正弦交流电50Hz 为例，其周期为20ms。结合电流的电气特性当其频率太高时将影响功率驱动部分开关管的导通截止特性，增加开关管的损耗，效率降低，使输出波形变坏。综合考虑我们将取样频率定在（6KHz~40KHz）之间较为合适。作者采用8KHz 作为取样频率。为了使输出取样点满足奇函数的特点，正弦波一周内的取样点NS 应为偶数，其中NS= 取样频率/50=160，S-PWM 脉冲周期T=1/8KHZ 即125μs。因为每个取样点为任意值，所以必须经过量化，然后转换为编码。我们知道量化级数（N）越大还原精度就越高，但编码位数（M）增多，使得运算比较繁琐。他们的关系满足。操作过程中作者采用8 位编码共256 个等级。编码程序在其最大振幅为5 的情况下，对50 赫兹的频率取样160 次，间隔为125μs，分别表示2、16、10 进制完成后的编码，也表示S-PWM 的脉宽大小，从运行结果可知正弦波0~1800 和1800~3600 编码值是对称的，因此我们只对0~1800 范围内的80 个编码进行操作就可以通过89C2051 的P1.2、P1.3 脚交替产生完整的S- PWM 波形。下图为其程序运行后结果。（编码程序用VB 完成，如有需要可跟作者联系）

2 S-PWM 波形的产生

以89C2051 单片机而言，定时/ 记数共四种工作方式，由M1M0 决定，本文采用方式1，16 位定时/ 记数方式。定时时间TPWM=（65536-TS），PWM 的脉宽=TPWM*TC，TS 为表1 中第六列16 进制数。TC=12/ 晶振频率，晶振频率=24Mhz， TC 为0.5μs。如当TS 为FA（250）时脉宽为125μs，为最大脉宽，等于一个S-PWM 周期。将此TPWM 的低四位写入定时器TL， TH 始终为FF，完成定时初始化。定时开始时使I/O 脚P1.3 变为高电平P1.2 为低电平，定时时间到时修改TL 值为(FA-TPWM( 低四位)) 定时常数，定时再启动使I/ O 脚P1.3 变为低电平P1.2 为低电平，即只改变P1.3 的输出，依次查定时编码表， 不断改变定时时间常数；当完成半周的PWM 输出后。再改变P1.2 输出完成整个S-PWM 波形

2.1 S-PWM 输出电压的稳压

上图中要想驱动双端升压变压器，必须使89C2051 的P1.2，P1.3 脚轮流输出半周S-PWM 波形，再利用变压器的极性变化，使输出端为正弦波。如果采用单端升压变压器，需同样使89C2051 的P1.2， P1.3 脚轮流输出S-PWM 波形然后利用桥式驱动管的轮流导通改变初级线圈的电流方向，使得输出端为正弦波。这种高频率S-PWM 波形的低次谐波一般都在几KHZ 以上，为了得到较好的正弦波波形，逆变器的滤波器即输出端的滤波器可以采用变压器的漏电感外加并联一个8~10μF 的无极电容，这样还可以减少本机的体积。

上图中通过变压器上的副线圈取得输出电压的变化，然后经桥式整流、滤波得到平均电压，此电压再分别加到欠压比较器和过压比较器上。当欠压比较器为高电平时，增大定时常数TPWM，当过压比较器为高电平时，减小定时常数TPWM，以此达到S-PWM 输出幅度稳定的目的。另外可调整RW104、RW105 改变输出电压的窗口范围。

【参考文献】

[1] 宋淑苹( 导师：陆原) 基于SPWM 技术的独立逆变电源的设计

[2] 杨春华( 导师：吴庆彪。正弦波逆变电源的研究与设计

[3] 陈旭武，黄丛生 SPWM 逆变器电压分析

S-PWM 波形的产生

S-PWM 输出电压的稳压 014

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