基于AVR单片机的逆变电源系统设计方案201组 叶晓辉 李欣 陈东针对现代电源变频调幅的要求,提出了利用对称规则采样原理产生SPWM 信号,选用ATmega16 单片机,设置其16 位计时器为相位修正PWM 模式产生SPWM 信号,结合查表及在线计算方法,实现变频调幅. 同时利用其内部集成的AD 模块对逆变桥输出进行采样并进行均值滤波处理,实现对系统的PI 闭环控制. 采用IR2110 作为驱动桥,并通过全桥逆变电路及LC 无源滤波实现正弦波的输出. 系统加入过温过流监测模块,并有人机交互界面（键盘和显示）. 一、SPWM 对称规则采样法对称规则采样法是从自然采样法演变而来的,它由经过采样的正弦波(实际上是阶梯波) 与三角波相交,由交点得出脉冲宽度. 这种方法只在三角波的顶点或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波. 对称规则采样法原理图如图1 所示.图1 对称规则采样法原理图若以单位量1 代表三角载波的幅值UC ,则正弦调制波的幅值UR 就是调制比M. 图中的三角波和正弦波都是经过向上平移单位量1 得到的,与过横坐标轴得到的结果一致. 利用底点采样,根据相似三角形原理,可得关系式其中：M 是调制比,0 M 1 ;为正弦信号波角频率;tD 为在三角波的负峰对正弦信号波的采样时刻;是开通时刻脉冲宽度;Tc 为三角波载波周期.因此可得开通时刻的脉冲宽度:其中N 为载波比,2/ N 三角波周期T C 所对应的弧度, K 为一个周期内采样计数值. 由以上分析得比较单元1 的比较寄存器的值为式中Tt 为通用定时器1 的时钟周期.二、系统硬件设计本系统采用ATMEL 公司的ATmega16 单片机作为数字控制系统的核心,利用ATmega16 产生SPWM 信号并进行电压采样处理.逆变电源系统主电路采用单相全桥逆变电路,由4 个IGBT 作为功率管组成全桥逆变电路，该电路具有控制方便，功率管利用率高;控制方式采用全数字的控制方式. 系统结构框图如图2所示.图2 系统结构框图本设计电路为单相全桥逆变电路,如图3所示,主电路是典型的AC-DC-AC 逆变电路. 20V交流电后面接全波整流电路，（桥堆整流，电容滤波）整成直流滤波后约有27VDC左右，然后接一个LM317，用适当电阻调压就可以得到平滑的12V直流电.然后再由逆变电路将其转变为频率可调的20V交流电压！图3.0 整流滤波电路图图3 单项全桥逆变电路 由单片机对LC 滤波后电压经过整流滤波后进行AD 采样,采样所得的数据输入到ATmega16 单片机,由A Tmega16 芯片对数据进行处理,并输出相应的SPWM 信号给驱动电路,控制逆变器的输出. 对系统工作温度,电流进行监测,保护控制系统电路,设有键盘、控制频率及幅值,同时显示模块,用于显示系统工作状态.此系统的控制核心电路是ATmega16 单片机电路,主要完成以下2 个方面的工作:1) 输出SPWM 控制信号到驱动电路,控制逆变桥的通断. IR2110 采用高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。;2) 对输出电压进行AD 采样. 1） SPWM驱动电路图如下：栅极电平箱位电路图3.1 IR2110驱动电路2）AD采样电路图如下：图3.2 电压信号采样和过压保护电路ATmegal6单片机内集成了8通道10位的AD转换器，故采样得到的电压信号经过前置电路处理后直接送入单片机中进行AD转换。设计如上：反馈电压的采样见图3.2，为使采样系统与高压电路隔离，先用分压比为100：1高精度温度敏感系数低的高压电阻分压器取样0500 V的电压输出，再经霍尔电压传感器转换为05 V的输出。为防止反馈电压对AD转换器件的冲击，输出电压经过LM741同相跟随器(作缓冲用)后，一路经电容去耦接到单片机的AD转换ADO口；另一路输出电压通过电压比较器LM311，与设定的电压(电压值由稳压二极管决定)进行比较，一旦输出电压高于设定电压，LM311输出便翻转为高电平，接到IR2113的SD端关断IR2113的输出，同时单片机内部通过软件关闭PWM输出，实现系统的两级过压保护。 电流-电压变换电路 经典电路。输入电流在R1上产生Uin，由运放作为电压跟随器输出，视输入电流及输出电压确定R1，注意精度及温度系数。切记调整运放的失调电压。将数据输入单片机进行处理,调节输出,实现闭环控制. 由于系统不仅输出SPWM 波,还包含了低次以及高次谐波,为了最终输入标准正弦波就必须设置滤波电路,本设计采用了LC 滤波电路,如图4 所示,称为固定K型低通滤波器. 图4 LC 滤波电路其截止角频率为:R 为公称阻抗,设截止频率为f c ,则有:三、系统软件设计软件设计的关键部分之一是控制电路中SPWM信号的产生,本程序采用了以三角波作为载波、正弦波作调制波的对称规则采样法,得到一系列幅值相等但宽度不等的矩形波. 矩形波的占空比使用在线计算的方法.设N 为载波调制波比, 即有N = f C/ f R . 其中f C为载波频率, f R 为调制波频率. 本系统利用ATmega16 的T/ C1 产生SPWM 信号,所以载波频率可由下面的公式计算:其中,变量N 代表分频因子(1 、8 、64 、256 或1024) ,f clk_ I/ O是MCU 时钟.设M 为调制深度, 即有M = UR / UC , 其中UC 为载波幅值,UR 为调制波幅值. M 一般取值范围为01. 改变调制波的幅值,就能使输出的基波电压幅值发生变化.由规则采样法的原理,假设一个周期内有N 个矩形波,则第i 个矩形波的占空比Di 为通过设置ATmega16 的T/ C1 ,利用上述公式计算出占空比,并与T/ C1 的TOP 值相乘,并形成一个正弦表,然后将数据送到比较寄存器OCR1B 中,配置单片机I/ O 口寄存器,在PD4 口输出SPWM 信号. 整个SPWM 产生程序流程图及实时反馈图如图5,6.常用的正弦调制法分为同步和异步调制法. 异步调制法的输出波形对称性差,脉冲相位和个数不固定;同步调制法在调制波的频率很低时,容易产生不易滤掉的谐波,而当调制波频率过高时,开关元件又难以承受. 为得到特性较好的正弦波,软件设计时采用了分段同步调制法,吸收上述两种方法的优点,且很好地克服各自的缺点. 其具体操作为:把调制波频率分为几个频段,在各个频段内保持载波比恒定,而不同频段的载波比不相同,通过配置单片机内部的载波频率实现输出基波频率的变化,即改变T/ C1 的TOP 值,即可实现调频功能. 选取的原则为:输出频率高的频段采用低载波比,输出频率低的频段采用高载波比. 同时,为了得到严格对称的双极性SPWM 信号,载波比选取为3 的倍数. 本系统中将频段分成五段,具体见表1.软件设计的关键部分之二是输出电压的实时反馈,由于电网的波动或是负载的变化,可能导致输出电压的不稳定,因此在系统中加入PID 增量数字闭环控制,以保证输出电压的动态稳定特性.根据单片机编程需要,将上式做出如下改变:其中Kp = 1/是比例系数, KI = Kp T/ TI 是积分系数, KD = Kp T D / T 是微分系数,结合PID 闭环控制与单片机中的AD 转换功能模块,可以很好地修正各开关周期的脉宽,达到动态稳定的目的.SPWM 产生程序及输出电压的实时反馈程序流程图如图5 ,6 所示. 图5 SPWM 产生程序图6 PI 闭环控制四、材料清单模块材料型号数量备注开光管G4PH50UD8IGBT肖特基二极管1N5820-1N58228续流二极管IGBT驱动芯片IR21104整流二极管1N400712电容0.1uf8电容1uf4霍尔电压器CHV25-P1集成运放LM7411电压比较器LM3111集成运放LM3172普通二极管10稳压芯片78052