高性能逆變電源的實(shí)現(xiàn)與分析

　　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。筆者擬采用單片機(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）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。

　　控制系統(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。