劉清萍，王楚鎣，張 勝

（南京郵電大學，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，逆變電源作為一種直流-交流變換裝置，其數(shù)字化控制已成為必然趨勢。逆變控制技術(shù)是由早期的脈寬調(diào)制PWM發(fā)展為如今常用的正弦波脈沖調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）。SPWM技術(shù)具有電路簡單和成本低的特點，能夠?qū)崟r準確實現(xiàn)變頻控制要求?；赟PWM技術(shù)控制的逆變器具有輸出波形諧波分量少和變頻方便等優(yōu)勢。相對于利用模擬控制和基于PWM專用芯片、SPWM專用芯片的逆變器，采用單片機數(shù)字控制的逆變器，可直接產(chǎn)生SPWM波，既顯著減少了逆變電源的元器件數(shù)量，提高了逆變電源的可靠性，增強了電源的自我保護能力，又保證了先進控制方法和控制策略在逆變電源中的應用［1］。系統(tǒng)由控制核心STM32單片機、IR2110驅(qū)動模塊、全橋驅(qū)動電路模塊及LC濾波器模塊等組成，功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1 SPWM信號生成方法

SPWM信號主要有模擬產(chǎn)生方法和數(shù)字產(chǎn)生方法，前者具有成本高、電路復雜、易受外界干擾、實現(xiàn)困難及不易改進的特點；后者基于數(shù)字控制實現(xiàn)SPWM信號的產(chǎn)生，靈活性大，調(diào)試簡單，便于更改頻率和調(diào)制度等參數(shù)，并能結(jié)合智能控制算法提升電源的性能，如PID算法[2]。目前，一些專用芯片，如EG8010等SPWM信號產(chǎn)生芯片，還需要微處理去控制，控制復雜且成本高。本設計使用的控制核心STM32單片機，具有低成本、低功耗及高性能等特性，使用廣泛[3]。單片機軟件方式產(chǎn)生SPWM的方式主要有自然采樣法、直接等效法及規(guī)則采樣法。工程應用中，一般要求算法盡可能簡單、可靠[4]。直接等效法和自然采樣法相對于規(guī)則采樣法，諧波較小，但自然采樣法需消耗單片機大量時間來運算，并占用大量內(nèi)存資源。所以本文采用直接等效法實現(xiàn)SPWM波的產(chǎn)生，原理如圖2所示。直接等效法是依據(jù)面積等效原理，可根據(jù)載波周期計算出脈沖寬度。

圖2 面積等效法產(chǎn)生SPWM波原理δ

面積等效法要求圖2中面積S1與S2相等，可得：

其中，M為調(diào)制深度，f為正弦波頻率，N為半周期采樣點數(shù)，k為第k次采樣。

STM32單片機具有硬件PWM輸出功能，將正弦波平均分成400等份，通過式（1）計算得到數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)做成程序列表，存入單片機的ROM，然后單片機通過查表的方式產(chǎn)生數(shù)字SPWM波[5]。

為保證逆變橋不發(fā)生同臂直通現(xiàn)象，需合理設置互補SPWM波死區(qū)時間。死區(qū)時間設置越長，逆變橋的安全性能越好，但隨著死區(qū)時間的增長，逆變器的輸出電壓波形質(zhì)量變差，同時也將增大或減小逆變器的輸出電壓有效值，影響電源的性能和效率。STM32能輸出自帶死區(qū)時間的互補SPWM波，可通過編程實現(xiàn)SPWM波死區(qū)時間隨輸出信號頻率的改變而自適應調(diào)整，使互補SPWM信號的死區(qū)時間處于較優(yōu)范圍，保持了電源可靠性，提高了電源有效性，使輸出端輸出高質(zhì)量的正弦波。

2 逆變輸出電路設計

2.1 逆變?nèi)珮螂娐吩O計

逆變?nèi)珮螂娐?，通過四個開關(guān)管的交替導通實現(xiàn)電源極性的變換。全橋電路中，選用IRF3205場效應管作為開關(guān)管。該場效應管具有耐壓值大、導通阻抗極低、轉(zhuǎn)換速率快及高效可靠的特點?？紤]單片機輸出的SPWM波電壓小且?guī)лd能力弱，選取了IR2110芯片用于驅(qū)動全橋逆變電路，以控制場效應管的通斷[6]。

2.2 濾波電路的設計

單相全橋逆變電路輸出的信號為高壓SPWM波。該SPWM波除基波正弦波頻率外，還含有大量的開關(guān)頻率和諧波分量，因此有必要外加濾波電路。由于電壓高且電流大，通常采用LC濾波電路。由于開關(guān)頻率遠高于基波頻率，LC濾波器的截止頻率設計相對簡單。

系統(tǒng)的逆變輸出電路如圖3所示，通過兩片IR2110驅(qū)動芯片實現(xiàn)橋式驅(qū)動，橋式驅(qū)動產(chǎn)生的信號經(jīng)過LC濾波得到要求的正弦波信號[7]。

圖3 電路原理圖

3 測試結(jié)果

3.1 測試儀器設備

測試儀器設備包括SPD3303X-E直流電源、SDM3055X-E五位萬用表、SDG-1032X信號發(fā)生器及SDS-2104X示波器。

3.2 頻率測量結(jié)果

鍵盤設置參數(shù)頻率，測量實際輸出頻率結(jié)果如表1所示。

3.3 效率測量

輸入/輸出電壓和效率測量值如表2所示。

經(jīng)測試可知，該逆變電源能準確地實現(xiàn)20～1 000 Hz（步進1 Hz）的正弦信號，且電源逆變效率為85%～90%，逆變效率較高，應用前景廣闊［8］。

4 結(jié) 論

本文基于STM32單片機、IR2110、全橋驅(qū)動電路及LC濾波電路設計了一款逆變電源。該逆變電源較好地實現(xiàn)了輸出鍵盤設置20～1 000 Hz頻率精確可調(diào)地正弦交流電，交流電畸變小，可穩(wěn)定輸出，且具有死區(qū)自適應功能，逆變效率高，工程應用前景良好。

表1 頻率測量結(jié)果

表2 效率測量結(jié)果