逆變電源是不間斷電源、靜止航空電源,、新能源發(fā)電技術(shù)等許多設(shè)備的關(guān)鍵部件,。許多場(chǎng)合都要求逆變器能輸出失真度小的正弦波，因而消除諧波是逆變電源的基本要求之一,。本文擬采用單片機(jī)作為控制器,，脈沖信號(hào)產(chǎn)生采用消諧PWM法，詳細(xì)介紹其硬件,、軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程,。
消諧PWM控制
采用PWM控制技術(shù)的主要目的之一是為了解決逆變電源輸出的諧波問(wèn)題，高頻PWM控制不僅可以有效地減小輸出電壓的諧波含量,，而且可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。消諧控制的基本思想是：以PWM脈沖波形的切換點(diǎn)相位作為未知數(shù),，通過(guò)PWM脈沖的傅里葉級(jí)數(shù)分析,，獲得輸出電壓的基波分量和各次諧波分量的表達(dá)式，然后根據(jù)基波和各次諧波幅值的要求建立一個(gè)與未知數(shù)個(gè)數(shù)相等的方程組,，通過(guò)求解方程組,，獲得各個(gè)脈沖的切換時(shí)刻，并按該時(shí)刻實(shí)施控制,，則輸出電壓的基波和各次諧波幅值將會(huì)是期望值,。一般情況下，總是令基波幅值為一個(gè)期望的非零值，而令各次諧波的大小為零,，這樣經(jīng)過(guò)消諧PWM控制方程的逆變器將不含指定的低階諧波值,。
假定逆變器輸出PWM波形在四分之一周期內(nèi)有N個(gè)開(kāi)關(guān)切換點(diǎn)，每個(gè)開(kāi)關(guān)切換點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位角分別為(ai=1,，2,，…，N),，且有0≤a1
式1、2,、3
式4、5,、6
式(1)為雙極性調(diào)制且開(kāi)關(guān)角個(gè)數(shù)N為奇數(shù)時(shí)的表達(dá)式,，式(2)為雙極性調(diào)制且開(kāi)關(guān)角個(gè)數(shù)N為偶數(shù)時(shí)的表達(dá)式，式(3)為單極性調(diào)制時(shí)的表達(dá)式,。設(shè)逆變器輸出基波電壓幅值與輸入直流母線(xiàn)電壓比值為M,，假定式(1)、式(2)對(duì)應(yīng)的PWM波形用于三相逆變器,，式(3)對(duì)應(yīng)的PWM波形用于單相逆變器,，則式(1)~(3)式可得出相對(duì)應(yīng)的消諧方程分別如(4)~(6)式所示。求解上述方程即可得到一組開(kāi)關(guān)切換角,，將此切換角轉(zhuǎn)化為單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)脈沖數(shù)據(jù)表保存在程序存儲(chǔ)器中,，供實(shí)時(shí)控制時(shí)查詢(xún)?？刂葡到y(tǒng)
控制系統(tǒng)是按照給定信號(hào)的要求,，控制并調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷，從而控制主電路產(chǎn)生期望的輸出電壓,，并使輸出電壓盡可能地跟隨給定的電壓信號(hào),。圖1給出了逆變電源的硬件電路基本框圖。觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生采用數(shù)字電路的方法,，完全可以用控制器的軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能,，節(jié)約了成本，而且相比較于模擬電路,，這種方法的抗干擾能力較強(qiáng),。
逆變電路控制系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為核心,，其功能主要是產(chǎn)生全橋逆變電路中開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào),，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)采樣線(xiàn)路電壓和電流來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變電源的調(diào)節(jié)和保護(hù),。對(duì)于直流母線(xiàn)側(cè)的輸入電壓信號(hào)，采用霍爾傳感器變壓后,，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)由運(yùn)算放大器組成的射級(jí)跟隨器,，送到窗口比較器，窗口的上下兩閾值分別對(duì)應(yīng)過(guò)電壓和欠電壓限值,，如果在窗口范圍內(nèi)則電壓正常,，否則輸出過(guò)電壓或欠電壓故障信號(hào);對(duì)于直流母線(xiàn)側(cè)的電流信號(hào)，采用采樣電阻對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,，采樣電阻兩端電壓送運(yùn)算放大器放大和抗干擾濾波處理后,，與設(shè)定的過(guò)電流閾值比較，實(shí)現(xiàn)逆變器的輸出或內(nèi)部電路過(guò)電流的報(bào)警和處理,。以上兩種保護(hù)信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯與處理,，送到單片機(jī)的外部中斷請(qǐng)求輸入引腳，無(wú)論何種情況引起的故障信號(hào),，均可以向單片機(jī)提出中斷請(qǐng)求,，單片機(jī)響應(yīng)中斷，通過(guò)封鎖所有開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù),，同時(shí)給出故障指示,。
控制器采用8位AVR單片機(jī)。8位AVR MCU具備1MIPS / MHz的高速運(yùn)行處理能力;超功能精簡(jiǎn)指令集(RISC),，具有32個(gè)通用工作寄存器,，克服了如8051 MCU采用單一ACC進(jìn)行處理造成的瓶頸現(xiàn)象;快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng),，大大優(yōu)化了目標(biāo)代碼的大小,、執(zhí)行效率;作輸出時(shí)與PIC的 HI/LOW相同，可輸出40mA(單一輸出),，作輸入時(shí)可設(shè)置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入,，具備10~20mA灌電流的能力;片內(nèi)集成多種頻率的 RC振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位,、看門(mén)狗,、啟動(dòng)延時(shí)等功能，外圍電路更加簡(jiǎn)單,，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠;片上資源豐富,。將逆變器的期望輸出頻率給定值以編碼的方式輸入控制器，CPU根據(jù)讀入的頻率代碼確定應(yīng)選擇的消諧PWM控制數(shù)據(jù),，并通過(guò)內(nèi)部定時(shí)控制，按此規(guī)定的PWM數(shù)據(jù),，從CPU的I/O端口輸出逆變橋開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào),，控制開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷,，實(shí)現(xiàn)消諧控制。系統(tǒng)軟件
逆變電源的控制軟件由主程序,、定時(shí)器中斷服務(wù)程序,、外部中斷服務(wù)程序三個(gè)部分組成。主程序用來(lái)初始化單片機(jī)的工作方式,，從I/O口讀入逆變電源期望輸出頻率給定值的編碼,，當(dāng)給定輸出頻率發(fā)生變化時(shí)，其編碼值會(huì)隨之變化,，此時(shí)修改頻率變化標(biāo)志,，并在定時(shí)器中斷服務(wù)程序按新的消諧PWM開(kāi)關(guān)切換數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的切換,。定時(shí)器中斷服務(wù)程序主要完成對(duì)開(kāi)關(guān)切換數(shù)據(jù)的定時(shí)控制,，輸出相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)消諧PWM控制,。外部中斷服務(wù)程序主要實(shí)現(xiàn)逆變電源的故障保護(hù)功能,，當(dāng)故障中斷請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，單片機(jī)及時(shí)響應(yīng)中斷,，在確認(rèn)有故障發(fā)生時(shí),，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并輸出故障代碼,。
結(jié)語(yǔ)
本設(shè)計(jì)較為詳細(xì),、全面地分析了逆變電源的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，在詳細(xì)分析了消諧PWM控制的基本原理的同時(shí),，給出了三相逆變電源主電路的結(jié)構(gòu)圖,，同時(shí)給出了基于單片機(jī)的逆變電源硬件控制電路。
