逆变电源设计方案

基于AVR单片机的逆变电源系统

设计方案

201组叶晓辉李欣陈东

针对现代电源变频调幅的要求,提出了利用对称规则采样原理产生SPWM 信号,选用ATmega16 单片机,设置其16 位计时器为相位修正PWM 模式产生SPWM 信号,结合查表及在线计算方法,实现变频调幅. 同时利用其内部集成的AD 模块对逆变桥输出进行采样并进行均值滤波处理,实现对系统的PI 闭环控制. 采用IR2110 作为驱动桥,并通过全桥逆变电路及LC 无源滤波实现正弦波的输出. 系统加入过温过流监测模块,并有人机交互界面（键盘和显示）.

一、SPWM 对称规则采样法

对称规则采样法是从自然采样法演变而来的,它由经过采样的正弦波(实际上是阶梯波) 与三角波相交,由交点得出脉冲宽度. 这种方法只在三角波的顶点或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波. 对称规则采样法原理图如图1 所示.

图1 对称规则采样法原理图

若以单位量1 代表三角载波的幅值UC ,则正弦调制波的幅值UR 就是调制比M. 图中的三角波和正弦波都是经过向上平移单位量 1 得到的,与过横坐标轴得到的结果一致. 利用底点采样,根据相似三角形原理,可得关系式

其中：

M 是调制比,0 ≤M ≤1 ;

ω为正弦信号波角频率;

tD 为在三角波的负峰对正弦信号波的采样时刻;

δ是开通时刻脉冲宽度;

Tc 为三角波载波周期.

因此可得开通时刻的脉冲宽度:

其中N 为载波比,2π/ N 三角波周期T C 所对应的弧度, K 为一个周期内采样计数值. 由以上分析得比较单元1 的比较寄存器的值为

式中Tt 为通用定时器1 的时钟周期.

二、系统硬件设计

本系统采用ATMEL 公司的ATmega16 单片机作为数字控制系统的核心,利用ATmega16 产生SPWM 信号并进行电压采样处理.

逆变电源系统主电路采用单相全桥逆变电路,由4 个IGBT 作为功率管组成全桥逆变电路，该电路具有控制方便，功率管利用率高;控制方式采用全数字的控制方式. 系统结构框图如图2所示.

图2 系统结构框图

本设计电路为单相全桥逆变电路,如图3所示,主电路是典型的AC-DC-AC 逆变电路.

20V交流电后面接全波整流电路，（桥堆整流，电容滤波）整成直流滤波后约有27VDC 左右，然后接一个LM317，用适当电阻调压就可以得到平滑的12V直流电.然后再由逆变电路将其转变为频率可调的20V交流电压！

图3.0 整流滤波电路图

图3 单项全桥逆变电路

由单片机对LC 滤波后电压经过整流滤波后进行AD 采样,采样所得的数据输入到ATmega16 单片机,由A Tmega16 芯片对数据进行处理,并输出相应的SPWM 信号给驱动电路,控制逆变器的输出. 对系统工作温度,电流进行监测,保护控制系统电路,设有键盘、控制频率及幅值,同时显示模块,用于显示系统工作状态.

此系统的控制核心电路是ATmega16 单片机电路,主要完成以下 2 个方面的工作:1) 输出SPWM 控制信号到驱动电路,控制逆变桥的通断.IR2110 采用高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。;2) 对输出电压进行AD 采样.

1）SPWM驱动电路图如下：

栅极电平箱位电路

图3.1 IR2110驱动电路

2）AD采样电路图如下：

图3.2 电压信号采样和过压保护电路

ATmegal6单片机内集成了8通道10位的A／D转换器，故采样得到的电压信号经过前置电路处理后直接送入单片机中进行A／D转换。设计如上：反馈电压的采样见图3.2，为使采样系统与高压电路隔离，先用分压比为100：1高精度温度敏感系数低的高压电阻分压器取样0～500 V的电压输出，再经霍尔电压传感器转换为0～5 V的输出。为防止反馈电压对A／D转换器件的冲击，输出电压经过LM741同相跟随器(作缓冲用)后，一路经电容去耦接到单片机的A／D转换ADO口；另一路输出电压通过电压比较器LM311，与设定的电压(电压值由稳压二极管决定)进行比较，一旦输出电压高于设定电压，LM311输出便翻转为高电平，接到IR2113的SD端关断IR2113的输出，同时单片机内部通过软件关闭PWM输出，实现系统的两级过压保护。

电流-电压变换电路

经典电路。输入电流在R1上产生Uin，由运放作为电压跟随器输出，视输入电流及输出电压确定R1，注意精度及温度系数。切记调整运放的失调电压。

将数据输入单片机进行处理,调节输出,实现闭环控制. 由于系统不仅输出SPWM 波,还包含了低次以及高次谐波,为了最终输入标准正弦波就必须设置滤波电路,本设计采用了LC 滤波电路,如图4 所示,称为固定K型低通滤波器.

图4 LC 滤波电路

其截止角频率为:

R 为公称阻抗,设截止频率为f c ,则有:

三、系统软件设计

软件设计的关键部分之一是控制电路中SPWM信号的产生,本程序采用了以三角波作为载波、正弦波作调制波的对称规则采样法,得到一系列幅值相等但宽度不等的矩形波. 矩形波的占空比使用在线计算的方法.

设N 为载波调制波比, 即有N = f C/ f R . 其中f C为载波频率, f R 为调制波频率. 本系统利用ATmega16 的T/ C1 产生SPWM 信号,所以载波频率可由下面的公式计算:

其中,变量N 代表分频因子(1 、8 、64 、256 或1024) ,f clk_ I/ O是MCU 时钟.

设M 为调制深度, 即有M = UR / UC , 其中UC 为载波幅值,UR 为调制波幅值. M 一般取值范围为0～1. 改变调制波的幅值,就能使输出的基波电压幅值发生变化.

由规则采样法的原理,假设一个周期内有N 个矩形波,则第i 个矩形波的占空比Di 为

通过设置ATmega16 的T/ C1 ,利用上述公式计算出占空比,并与T/ C1 的TOP 值相乘,并形成一个正弦表,然后将数据送到比较寄存器OCR1B 中,配置单片机I/ O 口寄存器,在PD4 口输出SPWM 信号. 整个SPWM 产生程序流程图及实时反馈图如图5,6.