張 悅 林 都 鮮 浩 范國(guó)浩（中北大學(xué)，山西 太原 030051）

基于單片機(jī)的SPWM控制逆變器的設(shè)計(jì)

張 悅 林 都 鮮 浩 范國(guó)浩
（中北大學(xué)，山西 太原 030051）

摘 要：本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)查表法，與IR2101芯片的對(duì)應(yīng)引腳連接電路，輸出PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)雙極性控制的三相逆變電路。通過(guò)等面積 SPWM 算法來(lái)輸出高精度的SPWM波形，從而實(shí)現(xiàn)了逆變器的SPWM控制。通過(guò)建模仿真，運(yùn)行結(jié)果，可以輸出SPWM波形。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；逆變器；正弦脈沖寬度調(diào)制

1 引言

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)迅速的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)大到工業(yè)、商業(yè)、民用、軍事以及環(huán)境保護(hù)中。PWM調(diào)制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的調(diào)制方式，以及研究的熱點(diǎn)之一。本設(shè)計(jì)通過(guò)分析PWM調(diào)制技術(shù)，建模仿真，用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)SPWM波形的輸出。

圖3 逆變器控制系統(tǒng)圖

2 逆變與PWM調(diào)制技術(shù)

2.1 逆變技術(shù)概念與分類

在電力電子技術(shù)中，將交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能的過(guò)程叫做整流。與之相反，將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能的過(guò)程叫做逆變。逆變根據(jù)逆變電路輸出交流側(cè)交流電源的有無(wú)，可分為有源逆變和無(wú)源逆變。逆變電路根據(jù)直流電源的類型不同，又可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路。而實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程的裝置叫做逆變?cè)O(shè)備或逆變器。無(wú)源逆變電路輸出的頻率與電壓既可以是恒定的，也可以是可變的，它與有源逆變具有很大的差別。

圖1 三相逆變電路

圖2 三相逆變電路PWM波形

2.2 PWM調(diào)制技術(shù)

PWM（Pulse Width Modulation）調(diào)制技術(shù)是對(duì)于半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)控制，通過(guò)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，可以等效地獲得需要的波形的一種技術(shù)。三相逆變電路PWM調(diào)制技術(shù)，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，功率因素高，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在逆變電路中應(yīng)用廣泛。如圖1所示為三相逆變電路，因?yàn)槟孀冸娐返妮敵霾ㄐ慰梢缘玫浇咏也ǖ妮敵鲭妷汉洼敵鲭娏鳎瑢?duì)于各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，不僅可以逆變電路輸出電壓的大小，而且可以改變輸出電壓的頻率。因此在大量應(yīng)用的逆變電路中，大部分都是PWM型逆變電路。

2.3 PWM調(diào)制技術(shù)方法

目前脈寬調(diào)制的方法有很多，根據(jù)調(diào)制脈沖的極性可以分為單極性和雙極性調(diào)制兩種。一個(gè)逆變電路，是采用單極性還是雙極性調(diào)制，完全取決于主電路本身的結(jié)構(gòu)。在某些逆變電路，如單相橋式逆變電路，可用單極性PWM調(diào)制方案，也可用雙極性PWM調(diào)制信號(hào)去控制，而三相橋式逆變電路則采用雙極性PWM調(diào)制信號(hào)去控制。如圖2所示三相逆變電路PWM波形。

圖4 三相逆變橋PWM輸出波形

本設(shè)計(jì)電路采用三相橋式逆變器，雙極性控制，設(shè)計(jì)基于等面積法產(chǎn)生SPWM波形。而等面積法的基本思想是將一個(gè)正弦波分成N等份，把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖代替。

3 具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述分析，用PROTUES軟件建

立仿真模型，逆變器控制系統(tǒng)仿真模型如圖3 所示。本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)查表法輸出PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)雙極性控制的三相逆變橋。由于單片機(jī)端口輸出電壓在5V左右，而驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)在12V左右，顯然通過(guò)單片機(jī)是無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)IGBT工作的。本設(shè)計(jì)在單片機(jī)和IGBT之間加入相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，選擇專用的IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IR2101來(lái)對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

圖5 三相逆變橋中點(diǎn)輸出波形

結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的SPWM信號(hào)發(fā)生器沒(méi)有采用SPWM波形發(fā)生器的集成芯片，擺脫了傳統(tǒng)的利用模擬數(shù)字電路對(duì)三角波和正弦波進(jìn)行比較的思想。基于等面積法產(chǎn)生SPWM的基本原理，用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)SPWM波形的輸出。其電路簡(jiǎn)單、數(shù)字控制，實(shí)現(xiàn)三相SPWM脈寬波形的輸出。要實(shí)現(xiàn)控制策略，只需改變程序，無(wú)需改變線路的連接，這樣既經(jīng)濟(jì)，又縮短了開(kāi)發(fā)的時(shí)間，可以得到良好 SPWM 波形。

參考文獻(xiàn)

[1]程漢湘，武小梅.電力電子技術(shù)（第2版）[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2014：161-167.

[2]王楠，沈倪勇，莫正康.電力電子應(yīng)用技術(shù)（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：192-214.

[3]冷增祥，徐以榮.電力電子基礎(chǔ)（第3版）[M].南京：東南大學(xué)出版社，2012：209-218.

[4]浣喜明，姚為正.電力電子技術(shù)（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2011：113-117.

中圖分類號(hào)：TM464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A