基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源

基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源

徐红丽 罗 奇 湖南信息职业技术学院

本文主要叙述了一种以PIC系列单片机为基础的SPWM电源。该电源的电压为12V，并通过升压环节以及SPWM逆变环节，获得了优质正弦交流电。该设计采用开关电源设计的原理，在升压模块中，采用电压负反馈，使得升压之后的高电压具有良好的稳定性；在逆变部分则采用单片机的SPWM的控制方式，最大的可能减少谐波。单片机的数字化技术，电源的调节更加灵活，性能更好，为仪器设备提供一种高品质的交流电源。

PIC系列单片机；SPWM逆变电源；系统设计

引言

高科技的不断进步，对电源的要求也越来越多元化。高品质的电源是企业发展的重要保障，然而在工业生产中，如果直接将受污染严重的电源供应给企业，那么无法满足企业的生产需求。本文基于PIC系列的单片机设计的SPWM电源可以满足企业的多样化需求。本系统的设计主要以12V直流电压输入，输出两种不同频率的正弦波交流电，每种频率可以有13种电压输出值，可提供的功率范围可从0达到200。该系统设计的直流推挽升压模块中，采用电压负反馈；在逆变部分则采用SPWM的控制方式；在保护方式上采用输入过则采用欠压保护的方式。

1.单片机在市场上的独特优势

PIC系列单片机由美国公司推出，其凭借独特的优势在市场上占有一席之地。该美国公司在1989年首次推出第一款8位单片机，经过14年的发展，其8位单片机的出货量已经跃居全球首位。该公司出产的单片机结构并没有兼容当时市场上任何一款单片机的结构，但在市场上受到如此的欢迎，并且获得设计工程师的认可，必然有其成功的道理。

该单片机从结构与设计上采用的是：总线结构，PIC单片机的总线结构采用的结构为哈佛结构，这种结构类型指令与数据空间是完全分开的，一个用于指令，另一个用于数据，能够实现程序和数据同时访问，提高了数据的吞吐率；精简指令集结构：指令集少，指令字长为12位、14位和16位，这些字长位数都属于单周期，一次取指，所以指令执行采用的是两级流水线结构。这也就是说当一条指令被执行时，下一条指令同时能够被取出，直接提高了运行速度。寄存器组：PIC系列单片机的所有的寄存器，包括I/O 口、定时器以及程序技术器都采用的是RAM结构的形式，这样只需要一个指令周期就能够完成访问以及操作；从使用上，PIC单片机满足了MCU不同层次的需求。PIC系列的单片机总共分为三个系列为基本级、中级以及高级。

基本级系列的产品的特点是低价位，适用于各种对成本要求较低的家电产品；中级系列的产品属于PIC系列中最丰富的产品系列。这种系列的产品经过的改进，保持了较高的兼容性，并且其外部结构是多种多样的，从8 引脚到 68 引脚的各种封装均有，该产品的性能较高，其内部带有A/D 变换器、EEPROM 数据存储器等接口。中级系列的产品适用于中高档的电子产品。再有高级系列的产品，高级系列的产品的主要优点是速度快，适用于需要高速数字运算的场合之中，再加上其具备在一个指令周期内完成二进制的乘法运算能力，因此可以取代某些DSP产品，因此能够在高中档的电子设备中使用。

2. 基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源设计

2.1 硬件设计

逆变电源的主要电路采用的是推挽升压和全桥逆变两级变换两种方式，如图1。

该电路的设计输入12V的直流电压，SG3525APWM控制电路，控制高频交流生成电路中的两开关管轮流导通，在变压器边形成高频的交流电压，并经过变压器的整合，最终在滤波电容上获得385V的直流电压。由单片机PIC16F873A控制IR2110驱动电路对逆变桥正弦脉宽调制主电路中的4个开关管进行正弦脉宽调制，逆变在输出电压经过电路输出后，最终在负载上得到指定频率与幅的正弦波交流电。

图1 设计的硬件系统框图

该电路采用的高频电压器可以实现前后级的隔离，这种隔离有助于系统的安全。而在直流推挽电路中采用电压反馈提高了系统抵抗输入干扰的能力，保持系统持续稳定。另外如出现欠压或过压的情况，电路及时调整，当没有达到输入要求时，SG3525A就会控制系统的升压级停止工作。

2.1.1 直流升压电路

因为原边的电压较低，因此DC-AC-DC变换采用推挽式电路，推挽式电路使用的开关器少，变压器的体积比较小, 输出功率大. 整流直流输出稳压选用高频LC滤波。

PWM控制电路选用SG3525A集成芯片,该集成芯片的OUTA、OUTB管脚交替输出2路相反的方波脉宽调制信号，用来控制开关管的驱动电路。线路在经过变压器的升压之后，在经全桥整流进行LC滤波，平滑供给负载电流。

2.1.2 SPWM波形电路

SPWM调制波形的产生主要由单片机完成。其采用了离线计算占空比、编制成数值表，在线实时查表，并以逐个周期修改占空比的方法。PIC系列的单片机性能突出，集合了多种外围模块，设计模块主要包括TIME2、串行通信与B电平变化中断模块等。

2.1.3 逆变电路

在整个电路系统设计中，逆变主电路的主要组成为IGBT管，驱动电动则采用了高压MOS栅极驱动芯片IR2110。驱动芯片与传统芯片的设计思路完全不同，驱动芯片主要特征表现为自举电路，它能够实现全桥电路的IGBT管的驱动，避免了传统需要多个独立电源的驱动。

SPWM驱动控制信号主要负责驱动在对角位置上的IGBT开关管，让其同时导通或截止。另外，应提前设置脉冲延时，以保证上下桥臂的短路。下图为逆变电路的基本构成。

2.1.4 IGBT驱动电路

为了让系统的电气性能更好，本系统的设计采用了带负偏压的IR2110驱动电路。高压侧的负偏压由C17、D18、R14产生。低压侧负偏压的实现则通过逆变主电路的低压端配合。两路负偏置为负5.1V,选择了小电流的齐纳二极管。经过实验比较发现，带负偏压的驱动电路的关断效果得到了很大的提升。

2.2 软件设计

2.2.1 设计构思

根据调制波与三角载波的对称规则采样原理计算出每一个开关器件在一个周期内的通断时刻，之后根据脉冲的宽度制作成数值表，并保存在单片机的存储器之中。当机器启动之后，程序执行查表，之后根据数据输出相应的脉冲，在经过硬件的驱动电路得到逆变桥开关管的脉冲，以来驱动逆变桥工作。

2.2.2 SPWM波形主程序

首先执行初始化程序，设置定时器、中断应用等特殊功能寄存器，之后进入到SPWM程序中。

定时器溢出表示一个工作周期的结束，之后重新计时，程序重新运行。在定时器运行的过程中，主程序对下一个运行周期的PWM占空比进行修改。

在程序中为了减小数值表的规模，但是在减少规模的情况下又不影响整个的控制效果。可以根据正弦波的对称性对数值进行简单的处置，只需要原来的四分之一的占空比值就能够完成整个周期的控制，缩小数值规模达四倍。

图2 逆变主电路图

3.实验调试与结果

3.1 直流推挽升压电路

核心为SG3525A的PWM控制电路采用的控制方式为负反馈。反馈系数发生了改变的情况下，PWM的控制波形的占空比也会发生变化，直流高压的输出也会产生相应的改变。反馈系数跟PWM控制波形的占空比成反比。

3.2 调试结果

SPWM由单片机的CCP1脚与CCP2脚送出，频率值与电压值的改变，也会造成波形周期与占空比的改变。设置频率为60Hz,电压为150 V互补的SPWM波形可参照下图。

图3 SPWM波形

IGBT驱动电路与逆变主电路的调试结果如下：PIC单片机发出的SPWM波形，在途经IGBT桥时，若不加LC滤波，那么桥电路交流侧得到的SPWM的波形为双极性的，若加上LC滤波的情况下，那么得到的波形为正弦波形。

从上面得到的两个波形可以看出，在频率相同的情况下，若电压值较小则波形线较粗，若电压值较大，则波形线较细。这主要是因为在一个充放电的周期内，低电压的占空比要更小，高电压的占空比要更大。综上所述，这种电路的效率高、功能低、扩展性好，因此具有良好的市场前景。

[1]段磊强, 张志文.一种基于正弦脉宽调制技术的交流电源设计方法[ J] .西安工业学院学报, 2001, 21(1):46 -50.

[ 2]范玲莉，邓焰，石健将.基于LM25037的车载逆变电源设计.2009, 43(6)

[3]刘开绪.用IR2110设计的静电高压直流电源电路[ J] .长春工业大学学报:自然科学版, 2005, 26(3):246 -249.

徐红丽（1983.8-）女，湖南常德人，讲师，工程硕士。主要研究方向：电子信息工程技术