淺析基于PIC單片機的逆變電源電路設計

針對現(xiàn)代電源變頻調幅的要求，提出了利用PIC16F873產(chǎn)生SPWM波控制IR2136觸發(fā)IGBT產(chǎn)生PWM波作用于逆變器產(chǎn)生標準的正弦波形，從而實現(xiàn)變頻調幅。同時利用AD模塊對逆變橋輸出進行采樣并進行濾波處理，實現(xiàn)對系統(tǒng)的PI閉環(huán)控制。通過MATLAB中的SIMULINK組件進行仿真分析，結果表明此方案輸出電壓動態(tài)響應速度快，具有良好的精度控制及實時性、波形失真小、可靠性高。

隨著科學技術的進步，電源質量越來越成為各種電氣設備正常和良好工作的基礎。電源技術領域的一個持續(xù)的研究課題即是研究作為電子信息產(chǎn)業(yè)命脈的電源的可靠性和穩(wěn)定性。

而逆變器作為電源的核心部分，其調制技術很大程度上決定了電源輸出電壓的質量。目前最常用的調制技術是正弦脈寬調制(SPWM)。隨著單片機的出現(xiàn)及其廣泛應用，智能化控制方法已經(jīng)逐漸替代傳統(tǒng)的分立元件電路產(chǎn)生方法或是專用芯片產(chǎn)生方法。智能化逆變電源的優(yōu)勢在于它不僅能實現(xiàn)調制信號的輸出，還為系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)的監(jiān)控、處理及顯示提供接口。同時它與現(xiàn)代計算機技術更好地結合產(chǎn)生了故障自診斷和自我保護功能，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在充分考慮工業(yè)控制成本及穩(wěn)定性要求的前提下，本設計采用PIC單片機作為控制核心，再輔助相關外部電路，組成一個具有穩(wěn)定和智能化等優(yōu)點的逆變電源控制系統(tǒng)。

具體電路設計

單相橋式逆變電路如圖1所示。[1]電路正常工作情況下，兩對開關管需要兩組相位相反的驅動脈沖分別控制，使VT1、VT4同時通斷和VT2、 VT3同時通斷。輸入直流電壓為220VAC，逆變器的負載為R.當開關VT1、VT4接通，VT2、VT3斷開時時，電流流過VT1、R和VT4，負載上的電壓極性是左正右負;當開關VT1、VT4斷開，VT2、VT3接通時，電流流過VT2、R和VT3，負載上的電壓極性反向，直流電即轉變?yōu)榻涣麟姟Ｈ粢淖冚敵鼋涣麟婎l率，改變兩組開關的切換頻率即可，繼而得到正負半周對稱的交流方波電壓。負載為純阻型時，負載電流電壓波形相同，相位也相同;負載為感性時，電流滯后于電壓，二者波形不同。輸出為相當于三個差120°相位的單相逆變電路的疊加，即三相逆變，其原理不再贅述。

產(chǎn)生PWM波芯片選擇

本設計電路為單相全橋逆變電路，其主電路是典型的DC-AC逆變電路。由單片機對LC濾波后的電壓進行AD采樣，把所得的數(shù)據(jù)輸入到 PIC16F873單片機，由PIC16F873單片機芯片對數(shù)據(jù)進行處理，并輸出相應的SPWM信號給IR2136驅動電路，控制逆變電路的開關管通斷，從而控制逆變器的輸出，調節(jié)電流監(jiān)測系統(tǒng)的工作溫度，保護控制系統(tǒng)電路。另設有鍵盤、控制頻率及幅值，同時顯示模塊，用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

PIC16F873單片機電路是此系統(tǒng)的控制核心電路，主要發(fā)揮以下兩個方面的作用：為驅動電路提供SPWM控制信號，控制逆變橋的通斷;對輸出電壓進行AD采樣。

集成電路IR2136芯片主要作用是產(chǎn)生相應的觸發(fā)電平來控制逆變電路的開關管通斷，從而控制逆變器的輸出。除此以外，由于系統(tǒng)輸出的不僅有SPWM波，還包含低次以及高次諧波。本設計采用了LC濾波電路以達到最終輸入標準正弦波的目的。

ω=2R/L為其截止角頻率，R為公稱阻抗，設截止頻率為fc，則有：

系統(tǒng)軟件設計

軟件設計的核心部分是SPWM信號的產(chǎn)生。本設計采用三角波作為載波、正弦波作調制波的對稱規(guī)則采樣法較為經(jīng)典，得到一系列幅值相等但寬度不等的矩形波。然后使用在線計算的方法計算矩形波的占空比：

設N為載波調制波比，即有N=fc/fr.其中fc為載波頻率，fr為調制波頻率。本系統(tǒng)的SPWM信號由單片機產(chǎn)生，故載波頻率可由下式計算：

其中，變量N代表分頻因子(1、8、64、256或1024)，fclki/o是MCU時鐘。

設M=UR/UC，為調制深度，其一般取值范圍為0~1，其中UC為載波幅值，UR為調制波幅值。改變調制波的幅值就能使輸出的基波