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基于单片机的小功率逆变器的设计与实现

0 引言
  逆变器是将汽流电能变换成交流电能的电气装置,通常用大功率高反压电力电子器件来实现。太阳能发电中,光电池阵列所发出的电为直流电。但是,大多数用电设备的供电为交流电,所以电力系统中常需要将直流电变换成交流电的逆变器。此外,逆变器在工业控制,通信、交通等领域的应用也非常广泛。正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM),是指以正弦波做调制波(Modulating Wa ve),以F倍于正弦调制波频率的三角波做载波(Carrier Wave),进行波形比较后产生一组幅值相等、宽度正比于正弦调制波的矩形脉冲序列,来等效正弦调制波。本文以STC12C5A60S单片机解密为核心,利用其内部两路可编程计数阵列(PCA)模块来模拟脉宽调制法,设计并实现了一个输出电压幅值可调的小型逆变器。

1 系统硬件设计
  该设计实现的功能是将6 V的直流电通过三级功率变换(DC-HFAC-DC-LFAC)得到频率为50 Hz,幅度为110 V的工频交流电以供交流负载使用。现将硬件电路各部分的具体设计和功能作如下描述。
  1.1 电源模块
    使用直流到直流变换芯片MC34063与LM7805和LM7812组合得到12 V和5 V的直流电,为硬件电路的各模块提供所需电源。

  1.2 前级升压模块
    通过SG3525芯片与其外围电路产生两路互补的高频PWM(Pulse Width Modulation)脉冲波,用这两路高频脉冲波分别控制由两个MOS(IRF 3205)管组成的单边桥高频逆变器,并与高频变压一起实现前级升压。通过前级升压,把6 V的直流电升到300 V左右的高频交流电,为后面的工频逆变做准备。

  1.3 整流器与滤波模块
    4个二极管组成整流桥电路对前级升压模块输出的高频交流电进整流,并且经过LC滤波器进行滤波作为工频逆变桥电路的输入。

  1.4 工频逆变器MOS桥电路驱动模块
    该设计中驱动工频逆变器桥的4个MOS管使用IR2110芯片来完成。单片机产生的两路SPWM控制信号经过死区时间后作为2片IR2110的逻辑输入。用2片IR2110芯片组成的驱动电路输出4路两两互补的信号,从而控制全桥逆变电路的上、下桥臂的通断,实现逆变功能

  1.5 SPWM产生模块
    以STC12C5A60S单片机为核心构建的最小系统,作为模块的控制部分。同时增加一个模/数转换电路,通过读取电位器上的电压值,实现逆变器输出幅值可调。两路SPWM信号由STC12C5A60S单片机PCA模块输出端P1.3口和P1.4口。其原理是用正弦表数据去设置STC12C5A60S单片机PCA模块的比较寄存器的值确来模拟脉宽调制法,最终获得宽度正比于正弦调制波的矩形脉冲序列来等效正弦调制波。

2 系统软件设计
  该设计的控制芯片是宏晶公司的STC12C5A60S单片机,它的内部有两路PCA模块。预先通过Matlab计算出标准的工频交流电的正弦表,以数组的形式存放在单片机内部扩展数据存储器中。然后利用这个数据表去动态地设置PCA模块比较寄存器的值,实现计数周期动态改变,输出的高电平脉冲宽度随正弦规则变化。

3 系统测试
  3.1 SPWM波形产生模块测试
    以单片机为核心构成的SPWM波形产生模块通过程序控制运行后,可以得到两路互补的SPWM波形。用示波器截取了模块的单路SPWM几个细节片段图,脉宽是不断变化的。

  3.2 整体的系统测试
    在输入端输入5 V的直流电,经过系统逆变以后,可以在系统的输出端得到有效值为110 V,频率为50 Hz的交流电。输出电压经示波器探头衰减10倍以后接入示波器。示波器的另一路输入是检测全桥电路的左上桥臂的SPWM波形,而另一路刚好对应右上桥臂。

4 结语
  该设计基于单片机控制的数/模混合电路的实现,使得整个硬件电路的体积大大减小。由于数字单片机的引入,可控性大大增强。

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