陳 富，黃大貴，黃逸平

（電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，四川 成都611731）

逆變電源應(yīng)用廣泛，特別是精密儀器對(duì)逆變電源性能要求更高。好的逆變電源不僅要求工作穩(wěn)定、逆變效率高、輸出的波形特性好、瞬態(tài)響應(yīng)特性好，還要求逆變電源小型化、智能化、并且具備可擴(kuò)展性[1]。因此，這里提出一種基于AVR系列單片機(jī)AT90PWM2的數(shù)字正弦逆變電源，前級(jí)SG3525A采用PWM控制升壓電路實(shí)現(xiàn)輸入和過熱保護(hù)。后級(jí)單片機(jī)AT90PWM2使用單極性倍頻SPWM控制方式進(jìn)行全橋逆變，且進(jìn)行輸出保護(hù)。

1 總體設(shè)計(jì)及工作原理

逆變電源的系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，系統(tǒng)的主電路采用前級(jí)推挽升壓和后級(jí)全橋逆變的2級(jí)結(jié)構(gòu)[2]，這樣可以避免使用工頻變壓器，有效降低電源的體積和質(zhì)量，提高逆變效率。其工作原理為：12 V的直流輸入電壓經(jīng)過濾波后推挽升壓和全橋整流升壓到350 V的直流母線電壓，再經(jīng)過全橋逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V/50 Hz的工頻交流電。

圖1系統(tǒng)的總體框圖Fig.1 Overall diagram of system

為了減小輸入電壓的影響，采樣全橋整流后的輸出電壓作為反饋電壓來(lái)控制前級(jí)推挽升壓電路的控制器，調(diào)節(jié)SG3525A輸出PWM波形的占空比，使得直流母線的電壓始終保持在350 V[3]。同時(shí)采樣輸出濾波電容上的電壓和輸出濾波電感上電流，采用電壓電流雙環(huán)控制，調(diào)節(jié)后級(jí)全橋逆變電路的SPWM的輸出，從而得到良好的輸出波形特性以及穩(wěn)定的負(fù)載特性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 推挽升壓PWM波形的產(chǎn)生

直流升壓電路采用推挽式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。電路中的功率管VQ1，VQ2通過SG3525A outputA，outputB交替產(chǎn)生的2路互補(bǔ)PWM波來(lái)控制通斷。SG3525A可以通過調(diào)節(jié)外接的電阻和電容來(lái)產(chǎn)生100 Hz～500 kHz之間的不同頻率段的PWM波形，其PWM波的頻率fPWM和外接電阻RT，RD，外接電容CT關(guān)系為：

SG3525A通過反饋的直流母線電壓可自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM波的占空比，使得輸出穩(wěn)定。同時(shí)SG3525A具有電壓的輸入欠壓鎖定和PWM鎖定功能，一旦發(fā)生過流或者過壓的現(xiàn)象，可以迅速關(guān)斷PWM，保證了整個(gè)電路的安全性。

2.2 全橋逆變SPWM波形的產(chǎn)生

SPWM波形由AVR單片機(jī)系列的AT90PWM2產(chǎn)生。AT90PWM2具有2個(gè)12位的波形發(fā)生器PSC0，PSC2，分別產(chǎn)生2路互補(bǔ)的SPWM信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后驅(qū)動(dòng)全橋逆變中的功率管[4]。其中PSC0生成為VQ3和VQ4的控制信號(hào)，PSC2生成VQ5和VQ6的控制信號(hào)。

選擇PSC工作在中心對(duì)齊模式，并且PSC0和PSC2工作在同步狀態(tài)。則PSC計(jì)數(shù)器從寄存器OCRnRB定義的最大值開始計(jì)數(shù)，先減到零再加到最大值，當(dāng)PSC計(jì)數(shù)器的值與寄存器OCRnSB，OCRnSA的值相等時(shí)，則將分別改變PSCn輸出引腳PSCOUTn0、PSCOUTn1的電平。其三角波載波周期fSPWM和PSC計(jì)數(shù)頻率fPSC以及寄存器OCRnRB、OCRnRA（n=0或2）的關(guān)系為:

2.3 全橋逆變電路

逆變電路是逆變電源的核心組成部分，完成將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷旱倪^程。采用由4個(gè)IGBT作為功率管組成全橋逆變電路，該電路具有控制方便，功率管利用率高等特可以采用IR2110驅(qū)動(dòng)電路。IR2110采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。尤其是上管采用外部自舉電容，使得驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他驅(qū)動(dòng)器大大減少，如圖2所示。

2.4 輸出LC濾波電路

由于全橋逆變電路的輸出為50 Hz的基波以及其他高低次諧波，為了得到純正的正弦波形，必須考慮設(shè)置濾波環(huán)節(jié)[5]。因?yàn)橹C波主要集中在1倍和2倍fSPWM附近，所以設(shè)置截止頻率fC為fSPWM/5。則有：

圖2IR2110驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Driver circuit of IR2110

式中，R為直流側(cè)等效負(fù)載電阻，Vout為輸出的電流電壓，P為逆變器的額定功率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介

AT90PWM2是AVR系列單片機(jī)，該單片機(jī)主要特點(diǎn)有：1）高性能的 8位 RSIC結(jié)構(gòu)，1 MIPS/MHz，支持最高 16 MHz的時(shí)鐘；2）8 KB系統(tǒng)可編程（ISP）的Flash存儲(chǔ)器，支持自舉方式編程，512字節(jié) SRAM，512字節(jié) EEPROM；3）4路 PWM通道提供各種PWM信號(hào)，并可以進(jìn)行死區(qū)設(shè)置；4）8路10位ADC模塊，1個(gè)10位DAC模塊，2個(gè)模擬比較器；5）多達(dá)29個(gè)中斷源；6）支持UART，SPI，I2C通信方式。其引腳功能分布圖如圖3所示。

圖3AT90PWM2引腳功能圖Fig.3 Pin function diagram of AT90PWM2

其中，PSCOUT00～PSCOUT21引腳為 SPWM波輸出引腳，用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管，SD引腳為IR2110的使能控制，用來(lái)開通或者鎖定SPWM的導(dǎo)通。V_MAIN，V_OUT，I_OUT引腳分別用來(lái)采樣母線電壓，輸出電容電流以及電感電壓。單片機(jī)還包括使用LED報(bào)警功能，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇在過熱時(shí)啟動(dòng)散熱功能，ISP在線下載更新驅(qū)動(dòng)程序以及預(yù)留串口通信功能。

3.2 控制策略

本數(shù)字系統(tǒng)采用電感電流反饋控制。將輸出電感電流引入控制系統(tǒng)，和輸出電容電壓一起形成雙閉環(huán)控制，通過采樣輸出電感電流和輸出電容電壓，用外環(huán)電壓誤差的控制信號(hào)去控制內(nèi)環(huán)電流，調(diào)節(jié)電流使輸出電壓跟蹤參考電壓值，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)由于存在內(nèi)環(huán)回路，增大控制系統(tǒng)帶寬，使得逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，輸出電壓的諧波含量減小，對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)能力加強(qiáng)。外環(huán)調(diào)節(jié)器可以按照負(fù)荷的變化相應(yīng)地調(diào)整內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的給定值，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的品質(zhì)，所以雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可使逆變電源的輸出性能得到較大的改進(jìn)[6]。為了簡(jiǎn)化電壓外環(huán)設(shè)計(jì)，可將電流內(nèi)環(huán)看成一個(gè)比例環(huán)節(jié)，電壓外環(huán)看成一個(gè)PI環(huán)節(jié)。圖4為雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖。

圖4雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Diagram of double-loop control system

3.3 軟件流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括：硬件初始化模塊，正弦表初始化模塊，輸出保護(hù)模塊，雙閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊，中斷處理模塊。主程序和SPWM產(chǎn)生中斷處理模塊的流程分別如圖 5（a）和圖 5（b）所示。

圖5系統(tǒng)流程圖Fig.5 Flow chart of sytem

4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上思想完成制作一臺(tái)1 kW的樣機(jī)，采用IRF3805作為推挽升壓的功率管，RHRP8120作為整流二極管，全橋逆變功率管則采用IRG4PC50UD，SG3525A的PWM波頻率設(shè)置為80 kHz，SPWM波的頻率設(shè)置為10 kHz，輸出濾波電感L為2.5 mH，輸出濾波電容C為4.7 μF，可得正弦交流輸出電壓精度220 V±1%，頻率精度50 Hz±0.1% ，THD小于1%，逆變效率大于90%，其空載和滿負(fù)載時(shí)的試驗(yàn)波形如圖 6（a）和圖 6（b）所示。

5 結(jié) 論

提出了一種前級(jí)由SG3535A控制推挽升壓和后級(jí)基于AT90PWM2的全橋逆變的數(shù)字式逆變電源的設(shè)計(jì)方法。使用AT90PWM2的波形發(fā)生器產(chǎn)生SPWM波形，有效簡(jiǎn)化電路，利用前端負(fù)反饋以及后端的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)使得逆變電源具備輸出電壓特性的高性能。預(yù)留的串口通信和在線下載功能使得逆變電源具備與上位機(jī)通信以及擴(kuò)展功能，完善的保護(hù)措施可使逆變電源在發(fā)生故障時(shí)，具有完善的指示和自動(dòng)處理功能。

圖6輸出波形Fig.6 Output waveform

[1]劉鳳君.現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]周俊杰，錢曉耀，陳上挺.一種基于PIC系列單片機(jī)的SPWM逆變電源[J].機(jī)電工程，2009，25（4）：99-101.ZHOU Jun-jie,QIAN Xiao-yao,CHEN Shang-ting.An inverter power supply of SPWM based on P IC[J].Mechanical&Electr ical Engineering magazine,2009，25（4）:99-101.

[3]陳雷,石新春.基于U3988的單相工頻正弦逆變電源[J].電子設(shè)計(jì)工程，2008，16（7）：38-39.CHEN Lei,SHI Xin-chun.Design of single-phase power frequency sine-inver ter power supply based on U3988[J].Electronic Design Engineering， 2008，16（7）：38-39.

[4]傅勝陽(yáng)，陳輝明，王正仕.基于AVR單片機(jī)的SPWM控制技術(shù)[J].機(jī)電工程，2007，24（9）:26-28 FU Sheng-yang,CHEN Hui-ming,WANG Zheng-shi.SPWM control based on AVR single chip m icyoco[J].Mechan ical&Electr ical EngineerIng magazine.2007，24（9）:26-28.

[5]吳東升.基于DSP數(shù)字式正弦逆變電源的研究與設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù)，2006，25（4）：21-24.WU Dong-sheng.Research and design on digital sine inverter based on DSP[J].Electrical Technology，2006，25（4）:21-24.

[6]李學(xué)勇.基于DSP的單相SPWM逆變器數(shù)字化控制技術(shù)研究[D].南昌：南昌航空大學(xué)，2009