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一种基于单片机并且采用PWM控制信号产生方法的可变电压和可变频率的正弦电源
印度加尔各达大学电子工程系印度西孟加拉邦7000032
摘要
这篇论文讲述了一种低成本，基于微处理器的可变电压和可变频率的正弦电源的发展。该电源应用于我们每天生活的各个方面，开发采用了MOS型场效应管H桥转换器和一个单独的LCD显示系统。这种设计方法提出了一种新型产生正弦脉宽调制信号的概念，并且运用于转换电路的驱动电路部分。该电源系统提出了一种在电源自身里面加入基于ROM的查找表，这种设计有利于增强电源系统正弦信号的稳定性。这种低成本，但高精度的电源已经成功运用于宽范围变化的电压和频率需求，并且这种电源的电压波形性能已经完全满足现实生活中的需求。
从整流器输出的电压被应用到由四个N沟道增强型的MOS场效应管组成的H桥转换器,MOS型场效应管的开关由驱动电路控制，驱动电路通过发送脉冲到每一个MOS型场效应管的栅源极，从而控制MOS场效应管。当电路发送一个脉冲到一个特别的MOS型场效应管时，效应管立即导通，当撤回脉冲时，场效应管会立即截止。开关这种时序设计，在一个特定时刻，一对MOS型场效应管(比如说MOSFET1和MOSFER4)处于开的状态，而另一对(MOSFET2和MOSFET3)处于关闭状态。在下一个转换时刻，情况刚好相反，MOSFET2和MOSFET3处于开的状态MOSFET1和MOSFET4处于关闭状态。这个电路中，每个MOS型场效应管由一个RC缓冲电路的到保护。变频调速电源的输出是将一个具有MOS型场效应管马达定速逆变器的交流输出通过一个具备在副端接上一个过滤器的隔离变压器获得的。
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是响应正弦电压峰值的占空比峰值。所选的占空比小于100%主要是因为要与具有有限关断时间的MOS型场效应管相配合。整体的控制电路中，所需的模拟频率是由一个电阻电位器的输出提供，该信息通过使用ADC将模拟量转换为数字量，如图5b所示。该数字频率控制信息被发送到其它控制器，也就是说数字频率控制被发送到逻辑电路产生所需的PWM脉冲信号。LCD显示接口的微控制器，以降低直流电压的形式接收来自交流电源输出的反馈值，用于显示电路的显示。
2.基于PIC单片机的变压变频电源
图一中展示整个电源开发的框图，图二显示了电源设备的实体图片。整个电源仪器产品的设计包括五个模块：(i)电源电路，(ii)控制电路和显示电路，(iii)驱动电路，(vi)供电模块，(v)电路保护模块。在图一中，来自电源的固定电压和固定频率的交流电压应用于电压调节器。这种电压调节器连接有一个前馈补偿器用于维持电压在期望的水平上，然后这个电压用一个全波整流桥产生一个直流电压。用一个包括四个MOS型场效应管的MOS型场效应管桥逆变器，将直流电压再次转换为交流电压。这种从交流到直流变换然后又从直流到交流的变化是很有必要的，因为直流比交流更容易控制。所需可变频率的电压是通过一个基于微控制器的系统产生，这个系统是一种输出变频正弦脉宽调制逆变器的驱动电路。另一个基于微控制器的系统用于显示输出电压和通过电压产生频率。该方案采用了一个很有必要的电源电路为芯片和控制器提供初始电压。图3a详细介绍了电压控制系统的开发，图3b详细介绍了一种输入来自电压调节器，并且将输出作为MOS型场效应管输入的直流源开发。该方案采用相位控制方法，对可控硅进行控制。该电路模块的最主要特点是可以设计一种点火延迟。零交叉点延迟的计算公式是：
本文主要介绍了基于微处理器，采用MOS型场效应管H桥逆变器的单相正弦变频调速电源的发展。所提出的方案使用了一种全新的PWM信号产生概念，称为脉宽调制(SPWM)技术。所谓脉宽调制就是用不同占空比的方波信号产生每个周期有恒定幅度的脉冲。这些脉冲宽度被适当调制后从反相器输出。该方案这样设计是为了在电源自身嵌入一个基于只读存储器的查找表，用于电源自身产生正弦信号。这种设计方法有几个有点，如改进了产生正弦信号的稳定性和控制特性。这种方案使用了两个微处理器，其中一个微处理器用于生成频率可变的正弦波，另一个微处理器用于控制独立的液晶显示器。这种方案已经成功用于电压在0-100V频率在40-70Hz的交流电压。该开发系统的实用性可以通过计算在很宽范围内总谐波失真来证明。论文的其余部分内容分配如下：第二部分讲述了变频调速电源的整体，第三部分详细讲述了电路设计，第四部分详细讲述了控制电路和显示电路设计，第五部分详细介绍了驱动电路的设计，第六部分详细介绍了电源电路而且第七部分详细介绍了保护电路设计。电路整体性能的估计在第八部分。最终的总结在第九部分。
(i).门级驱动电压变化范围从10V到20V
(ii).欠压锁定两个通道。
(iii).匹配相应传播延时，为两个通道在高频应用中变得简化。
(iv).产生的输出是同向输入端。
(v).能够独立驱动高端和低端源自考输出通道。(vi).浮空通道被用来驱动高端配置电压达到500V的N沟道MOS型场效应管。
在IR2110中，当关闭信号是低电平的时候，输出电压跟随输出电压的变化而变化，当关闭信号是高电平的时候，输出电压是低电平。
7.保护电路设计
保护电路的设计用来保护主电路的几种类型的故障情况，即短路故障，过载故障和过流故障。在故障情况下，过大的电流将会流过电源电路。由于电流过大，保护电路将会产生一种信号，这种信号会被传递到驱动电路的关闭错误点，然后，驱动电路将立即关闭电源电路的MOS型场效应管的驱动器。图九显示了这种保护电路的设计原理图。
4.控制电路和显示电路设计
这部分电路主要包括基本的控制电路和显示电路。
4.1.控制电路
控制电路的设计由两个PIC18F2520单片机组成，一个用于控制模拟频率输入和显示，另一个主要用于产生脉宽调制脉冲。在图5a和5b中介绍了两个基于PIC18F2520单片机额的独立电路，这两个模块分别用于PWM驱动和用户接口设计。在基于微处理器的PWM驱动模块设计中，CCP1和CCP2用于给PWM输出提供高端驱动和低端驱动。具体来说，CCP1产生64步触发PWM触发信号的正半周期，CCP2产生64步PWM触发信号的副半周期。该模块设计的新颖之处在于提供了一个偏移的正弦电压步长值作为PWM占空比查找表的函数。这种偏移量有助于最小化输出正弦电压的总谐波失真，因为MOS型场效应管开关的开关时间是一个给定的PWM携带频率。对于一个给定的总谐波失真，越高的PWM载波频率，就需要越高的偏移量。因此，在项目中，建议通过计算获得所需的PWM占空比，所给的步骤如下：
1.引言
在电子工程领域中，有效的利用可用功率满足不同类型的需求仍然是一个很重要的问题。因此效率问题已经引起了全世界多个研究团体的重视，问题的重点是根据具体需求，量身定制出满足需求的专用型电源。很多时候，这种需求要具体到产生可变幅度，可变频率以及不同类型的波形的交流电。根据以上的需求，这里提出了单相或三相电源的设计和发展。在研究和分析合适的电源转换器方面，我们已经花费了很长时间。这种电源对交流源的性能特征是非常有用的，例如，三相感应电机的驱动和阈值监控以及速度控制，单相感应电机的居民使用。为了提高产品效率，安装了新设备结果导致额外的电能问题，所以电能开发的质量正逐渐变成关心的主要问题。因此从全局考虑，设计高品质，具有广泛峰峰值、广泛频率范围以及最小失真的变压变频正弦波形，然然是一个主要的挑战。在文献[1]中，基于DSP的可变交流电源采用的是滑模控制和卡尔曼滤波的方法研制而成的。该系统实现了在稳态响应中小于2%的谐波失真，同时直链状和阻性负载。在文献[3]中，基于单片机的变频电源转换器设计提出了用于单相和三项系统中的功率逆变器的设计。微控制器被用来提供脉宽调制信号，为晶闸管逆变桥的栅极提供电压控制驱动器。但是，这种系统仅在模拟实施阶段。在文献[4]中，三项变频调速稳定的动力源被用于开发功率放大器和带滞后的D类拓扑结构的开发控制。
4.2.显示电路
显示电路由每行可显示16个字符共两行的JHD162A芯片组成，图六中展示了用这种显示电路显示输出交流电压的电压值和频率值。
5.驱动电路设计
图七中详细介绍了驱动电路的设计。该电路接收来自逻辑电路的输入信号产生适当的驱动电压信号驱动与H桥转换器相连接的MOS型场效应管。该驱动电路的设计采用了最常用的IR2010芯片，这种芯片有如下特点：
6.电源电路设计
该项目还需要一个适当的直流电源电路，为微控制器、驱动芯片、显示芯片、光耦放大器提供工作电压。这里，降压变压器的作用是降低主要供给电源的电压信号的压值。降低后的交流电压通过一个中心抽头的全波整流电路整流后得到直流电压，再通过两个串联的电压调节器同时获得+15V和+5V的直流电压。该电路使用电解电容，以获得平滑和无纹波的直流电压。该直流电压通过三引脚插针方便使用，电路设计的原理图如图8所示。
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因此，激发延迟变化作为电压控制信号和前馈信号的线性加权组合。这里 ，
确定了最小输出电压，即在激发延迟的时候不存在任何电压控制和前反馈信号的偏移量。同样， 影响输出电压的变化， 影响所需的补偿量。
3.电源电路设计
图四对原理电路图进行了详细的描述。在原理图中，230V,50Hz的固定电压固定频率的交流电源应用与具有前反馈补偿的电压调节器，使得输出电压可被控制在0-150v的任何所需值，通过一个电位器使得调节电压的步进值是1V.来自电压调节器的输出值应用到一个全波整流桥，通过一个电感可以限制开关转换时的电流。整流器充当着直流转换的作用，在输出端接上一个大值的电容，可以获得光滑，纹波小的直流输出。一个放电电阻并联连接，可以在电路开路的情况下，为电路提供一条放电通道。
8.实验结果
设计的变频变压电源的性能评估是用瓦特计对非线性负载进行测量，非线性负载是一种采用劳埃德.菲舍尔的铁损失策标本和铁损分离和涡流损失的方法制成。该装置被用于测量电压在30-80v，频率在40-70Hz变化的电源。品质因数是用来定量计算系统总谐波失真性能的重要指标，分析现实生活中不同场合的不同波形，设计出相应频率和电压的电源。这些产生波形的电源质量是通过计算系统的总谐波失真来评估的。用来测量电路性能的仪器制造商和型号包括安捷伦数字示波器。图十一中展示了，通过数字存储显示示波器器捕获的正弦变频调速电源产生的波形，表一中显示了一些样本采样情况下的一些绩效考核结果。图十一中能说明原理图和波形图在电源的频率和电压方面有很好的结合。