基于ARM的正弦波逆变器设计

佛山华芯微特科技有限公司　梁永忠



基于ARM的正弦波逆变器设计

佛山华芯微特科技有限公司梁永忠

文章介绍了以我司自主研发的基于ARM Cortex-M0的32位MCU为核心的正弦波逆变器设计方案，给出了逆变器的系统结构、SPWM波形产生方法、稳压算法及核心程序设计。该逆变器通过带载工作测试，效果良好，具有一定的实用价值。

正弦波逆变器；SPWM；稳压；ARM

1　引言

逆变器是一种把直流电转变成交流电的电子设备，在不能方便接入交流电的环境下可用逆变器连接蓄电池带动各种电器及工具工作。按输出电压或电流波形分类，逆变器可分为方波逆变器和正弦波逆变器，前者虽然结构简单、成本低，但电压谐波多，不适合感性和容性负载工作；后者主要应用SPWM技术，电压输出波形不存在突变情况，负载适应范围宽［1］。

目前SPWM波的产生方法主要有模拟和数字两种方式，前者虽然电路成熟，实现简单，但维护困难且不易改进，灵活性差；后者应用数字信号处理技术，减少了对硬件的要求，性能安全可靠，灵活性强。

2　系统结构

本方案的系统结构如图1所示，主要由前级升压电路和后级逆变电路两部分组成。前级升压电路由推挽升压IC控制，将输入DC12V升压至DC310V以上，而且具有稳压、过流保护功能；后级逆变电路由我司研发生产的32位MCU产生SPWM控制全桥电路，经LC滤波输出正弦波，MCU通过采集输出电压、输出电流实现稳压、过流保护、短路保护等功能。本方案辅助功能包括用户能通过调节电位器调整输出电压，而且可通过跳线设置输出频率，50、60Hz频率可选。

图1　系统结构图

3　SPWM产生方法

SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉冲宽度调制），就是对一系列脉冲进行调制，使其脉冲宽度按正弦规律变化的一种脉宽调制方法。SPWM的输出波形控制算法有自然采样法、对称规则采样法和不对称规则采样法、面积等效法等［2］。由于前三种方法均需要不同程度的计算PWM的“开”“关”时间，需要占用一定的CPU资源而且程序编写不灵活，本方案采用面积等效法实现SPWM。

图2　面积等效法的基本原理图

根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。面积等效法的基本原理可用图2所示说明，在各采样周期内，均用一个与正弦曲线和时间轴所围面积相等的等高不等宽的脉冲来代替，最终这一系列脉冲加在全桥电路上再经LC滤波可生成正弦波。为减少MCU的数值计算且程序编写方便，本方案根据面积等效法的基本原理先计算出半周脉冲的宽度，并把这些数据存于MCU中，通过查表的方式生成SPWM信号控制开关器件的通断，此法虽占用一定FLASH，但简单易实现，灵活性大。

4　稳压算法

本方案稳压算法采用工业上常用且成熟的位置型PID算法。PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D三部分组成，比例控制可调节系统的响应速度，但会产生稳态误差；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快惯性系统响应速度以及减弱超调趋势［3］。

PID控制器的动态方程如下式：

其中u为控制变量；e为给定量与输出量的误差；Kp为比例放大系数；Ki为积分时间常数；Kd为微分时间常数。将上式转化为单片机可以处理的离散化公式得：

其中T为采样周期。

PID控制的系统框图如图3所示，通过适当调节比例、积分和微分三个参数，可使输出电压根据负载的变化情况迅速稳压而且稳压精度高。

图3　PID控制的系统框图

程序设计给定量是用户设定的输出电压，用户可通过电位器调节，实际输出量是逆变器的输出电压，通过精密电阻分压，MCU通过AD采样；控制变量是PWM的占空比，通过调整PWM的占空比从而实现稳压。

5　核心程序设计

本方案程序是在我司自主研发的基于ARM Cortex-M0的32位MCU上开发的，此控制器最高可运行50MHz，内置16K/32K/64K字节FLASH存储器，4K/8K/16K字节SRAM，提供 22MHz/44MHz精度为1%的内置时钟，支持四级加密，支持ISP（在系统编程）及IAP（在应用编程）操作。外设串行总线包括I2C总线接口，工业标准的UART接口，SSI通信接口（支持SPI、Micro Wire及SSI协议）。此外还包括看门狗定时器，4组通用定时器（计数器），1组专用定时器（包含定时、捕捉、PWM等功能），3组（6通道）PWM控制模块，12位逐次逼近型ADC模块以及3路模拟比较器（运算放大器）模块，同时提供欠压检测及低电压复位功能。可以说，性能是非常强大的。

系统的核心程序是生成SPWM波并稳压，此程序放在PWM中断里完成，中断频率约18KHz。流程如图4所示，PWM中断程序里设定一个变量作为PID采样周期计数器，当计数达到采样周期后进入PID稳压子程序计算控制变量并修正正弦表，否则按正常流程执行SPWM查表操作并设定PWM占空比。图5所示是逆变的正弦波，有效值是220V，频率是60Hz，从波形看出畸变很小。

图4　流程图

　图5 逆变的正弦波

6　结束语

本文给出了以我司自主研发的32位MCU为核心的正弦波逆变器设计方案，通过带载测试，本逆变器输出正弦波谐波小，稳压精度高，性能稳定，而且结构简单，具有一定的实用价值。

［1］周志敏，周纪海，纪爱华.开关电源实用技术-设计与应用（第2版）［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［2］刘凤君.正弦波逆变器［M］.北京:科学出版社，2002.

［3］陶永华.新型PID控制及其应用［M］.北京:机械工业出版社，2002.