您好,欢迎访问新创力研发官方网站   站内公告:
硬件设计、软件设计、电路设计、逆变器方案、并网逆变器、小家电方案、充电器方案、整套方案
服务热线: 0757-81103970
   
首页 > 技术文章 > 技术应用
一种用单片机制作的高频正弦波逆变器
2019-03-21
1.引言

  逆变器有方波逆变器和正弦波逆变器两大类,方波逆变器虽然结构筒单,造价低廉,但是由于谐波太多,不适合感性、容性电路的工作,而市场上的正弦波逆变器的价格普遍较高,使一些用户难以接受,从而限制了它的推广和应用。本文主要介绍一种简单实用的正弦波逆变器。

  正弦波脉冲调制是正弦波逆变器的关键,它们都需要一个正弦波发生器,利用它产生的正弦波和三角波(锯齿波)进行比较,实现正弦波调制。产生正弦波的方法和途径很多。通常应用的方法有模拟式和数字式两类,通过不同的多种方式去实现。如用带滤波电路和正反馈放大器构成的正弦波振荡发生器电路,这是最常用的经典电路,但调整较复杂,频率精度不高。还有用函数发生器等方法产生正弦波电路。用大规模专用集成电路和单片机构成的正弦波脉宽调制电路。采用EPROM和D/A转换产生参考正弦电压也是一种常用方法。用DSP高速数据处理器实现脉宽调制是最新的一种方法,由于引入了计算机技术,需要增加大量的软件开发和设计工作,尽管电路的复杂系数和成本都有所增加,但它确实是大容量逆变器的一种优良设计方法。

  基于上述情况,我们研究设计了一种用廉价的单片机实现正弦脉冲调制、逆变、控制及保护的电路,使逆变器的结构更为简单,性能稳定可靠。

2.脉冲调制波的产生

2.1 脉冲调制波的产生原理

  用模拟方式产生正弦波脉冲调制波,需要用硬件产生一个频率为50Hz的参考正弦波(或100HZ的正弦波半波)和一个与载波(调制)频率一致的三角波或锯齿波。通过正弦波和锯齿波的比较,产生一组脉冲宽度按正弦波规律变化的脉冲波。

  本设计中电路输出的脉宽调制波是通过正弦能量计算的办法,只须计算出正弦波1/4周期,即0°~90°的正弦波内相应周期上的脉宽和脉冲间隔,再通过镜象法,获得一组正弦波半波(0°~180°)内的脉冲宽度和脉冲间隔。输出的正弦波与脉冲调制波的关系如图1所示。图中:N为50Hz正弦波半周期所含脉冲个数;Um为正弦波波峰电压;T——正弦波周期,频率为50Hz时,T=0.02秒;αN为第N个脉冲对应的电度;

为第N个脉冲的宽度;γN为第N个脉冲与N+1个脉冲之间的的间隔。
 
                                        图1 正弦脉冲调制能量等效图
 
 
                                              图2 单片机部分程序流程图


  根据正弦波能量等效法可得如下关系:


  其中:
N=F/2f


  f =50Hz为正弦波频率,F=12K为载波频率。因此可求得脉宽与输出正弦波的关系为:



  余此类推。

  输出脉冲的间隔为:


        ........

2.2 脉冲调制波的产生电路

  脉冲调制波的产生电路如图3所示,该控制电路是以AT89C2051单片机为核心组成的逆变电路,该款单片机价格低廉,内置2K Flash ROM,2个定时器/计数器,以及丰富的I/O控制功能。在电路中,从单片机的P1.6和P1.7端分别输出相位相反,脉冲宽度为10毫秒(频率50Hz)的脉冲,它由单片机内部定时器产生,起控制正弦波逆变桥正半波或负半波导通的作用。P1.4和P1.5端输出相同的正弦调制脉冲,当P1.6有负脉冲输出时,P1.4才有输出,P1.7有负脉冲输出时,P1.5才有输出。调制脉冲的脉宽

是由上述公式所求得。本控制电路中,AT89C2051单片机采用24MHz的晶振频率,因为受到指令周期的限制,最大载波脉冲的频率取12K较为合适。编程计算出1/4周期正弦波相应周期上的各载波脉宽

,存入数据表中待用,在应用程序中,充分利用单片机的内部资源,用软件查表法逐一控制片内定时器输出调制脉冲,输出经滤波后生成一稳定的正弦波。单片机控制流程如图2所示。


  图3中从单片机端口P1.7和P1.5输出的电压V1/F、V2F是两个频率为50周波,相位差180电度的方波脉冲。从P1.6和P1.4输出的电压V1/Z、V2Z是两组如图1所述的,相位差180电度的正弦波调制脉冲串。P1~P4是4个故障输入信号,P0是故障保护输出信号。逆变器的故障判断及保护均由单片机的软件实现控制。

3.正弦波逆变器

3.1 逆变器的电路原理结构

  逆变器的电路工作原理图见图4所示。逆变器由辅助电源FDY;单片机脉冲调制及保护电路M1;上半桥驱动?镸4;下半桥驱动?镸5;保护?镸6;升压稳压?镸3;升压变压器T;逆变控制?镸2及输出滤波电路等几部份组成。由于采用了SMT工艺和?榛际,使生产、安装、调试、互换及维护都非常方便。

3.2 逆变器工作原理说明

  如图4所示,由高频变压器T1、场效应管Q1、Q2和控制?镸2组成推挽式高频逆变电路,它与整

流桥BR及电容器C1把蓄电池电压升至约280伏的电压,再经过升压稳压电路,输出320伏的稳定直流电压,为Q4~Q7组成的桥式正弦波逆变电路提供电源电压。升压稳压电路由电感Ll、场效应管Q3、控制?镸3、D1、C2组成的。在逆变电路中,上半桥的两个管Q4、Q6因其GS极都是悬浮的(没有接地点),所以驱动电源由高频自激振荡器制作的辅助电源FDY?樘峁┝阶槎懒⒏衾氲15V电源。?镸4是用光电耦合器设计的上半桥(Q4、Q6管)隔离驱动电路,驱动信号来自单片机AT89C2051的P1.6和P1.7端口输出的50Hz方波脉冲信号,电路结构如图5所示。?镸5是相同的两组用作电平转换和功率放大的驱动电路,它分别直接驱动下半桥的Q5、Q7管,驱动信号来自单片机的P1.5和P1.6端口输出的正弦波脉宽调制脉冲串,电路结构如图6所示。桥式逆变电路的输出经过用铁硅铝磁环制作的电感L2和电容C3滤波后,输出正弦波电压。

    
  本逆变器的正弦波输出电压频率精度是不容置疑的,不需任何调整。因为它是通过24MHz晶振分频得到的。由于受程序指令工作周期的影响,导致单片机输出的脉宽和脉冲间隔与计算值有所不同,使输出波型产生一些小许的畸变和失真。因此,还需要在第一次调试过程中,对脉冲的宽度和间隔作某些简单的实时修正,这样就能使正弦波失真度更小。当然,正弦波的失真度还与输出滤波电路的电感、电容的取值也有关。

4. 逆变器的保护电路

  有经验的设计者都会体会到,保护电路对电路的可靠性、性能及调试难易是一个不可忽视的重要部份。假如一台逆变器直接起动800瓦的白炽灯负载,其瞬间功率将达到6-8千瓦,这一瞬时的浪涌功率,对逆变电路功率器件来讲是完全可以承受的。但是,如果保护电路误判为短路状态,逆变器的性能指标则达不到技术要求,使整机的负载性能降低。过载保护,过热保护,电池低压保护等环节都需要一个时间相对准确的特定延迟。如果用RC模拟电路延时,由于元器件参数的分散性,会导致延时时间不准确,同时增加了电路元器件的用量。

  本逆变器的保护?镸6仅用四个简单的比较器电路组成,分别施加了负载电流、电池电压、温度传感电压信号。当电路工作不正常时,?镸6输出的电压分别送至单片机的P3.2~P3.5四个输入端,经由单片机控制程序作判别或延迟后,从P1.1~P1.3、P3.7四个输出端口发出故障指示,用LED指示灯显示故障的状况,而由P3.0输出的电平则执行保护动作。通过这一办法使保护电路既简单又可靠。

5.结束语

  本文提出的用单片机控制的高频正弦波逆变电路,使用价格低廉的8位带电刷写Flash
ROM单片机实现正弦波的脉宽调制及保护控制,并且在单相1千瓦以下的小型逆变器上作了实际应用,其电路调试简单,输出电压稳定,工作可靠,性能良好。主要缺点是空载输出波型失真稍大,但由于其电路简单,工作可靠,软件开发量小,不失为一种小型逆变器设计的新思路。
业务咨询
技术咨询
客户反馈
www.fullcinema.net