基于单片机控制的宽频逆变器设计

杨 闯，王中金，张振强，赵 杰，陈海波，刘文辉，耿婉溪

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南 郑州 450003；2.河南中原光电测控技术有限公司，河南 郑州 450047)

0 引言

随着科技的发展和进步，越来越多的工业化、智能化设备融入人们的生活中，供电方式也变的越来越广泛。仅电能的转换就有DC-DC，DC-AC，AC-AC，AC-DC这4种方式[1]，其中各种转换方式又同时包含低压、高压、超高压和特高压之间的相互转换[2]，但目前市面上的整流器或逆变器只针对特定的几种电压调节，无法做到电压调节精确高、频域宽的特性。

传统的逆变器一般由电力电子元器件搭建逆变桥完成，通过改变晶闸管的导通关断状态控制电压的改变，受限于电力电子元器件，传统逆变器只能针对单一电压进行调节，如果用户需要不同规格的逆变电压输出，则需要购买不同规格的逆变控制器，这不仅对用户是一项挑战，同样也是对社会资源的浪费。常用的逆变技术有PWM软开关技术，多电平技术、并联技术等，但这些技术方式存在谐波污染、成本高、体积大等问题[3]。因此设计一款价格便宜、功能强大、方便携带的逆变器是当今社会发展的必然趋势，自动控制已在当今社会各个层面普及[4]，因此设计一款智能化、自动化、输出电压可任意调节的宽频逆变器成为现代逆变器的发展趋势。该文基于单片机设计了一种宽频逆变器，实现电压跟随用户的设定而自动调节输出，其电压可调范围为0～3300 V，可满足工业、生活中的绝大多数电压供电需求。

1 逆变器硬件设计

逆变器的硬件部分由显示器和控制器两部分组成，显示器主要用于用户输入设定电压和显示逆变器实际输出电压，通过FSMC总线和控制器连接[5]。为了更好的观察和调试控制器，控制器同时支持通过串口连接电脑，在实际使用过程中，即可通过电脑连接，又可通过自带的液晶显示器连接，用户可以自由切换，具体架构如下图1所示。

图1 逆变器总体架构图

显示器采用了16位TFT液晶显示屏，其上层使用了电阻触摸屏控制器，逆变控制器可通过FSMC总线驱动液晶显示，将输出电压值显示在液晶屏上[6]。同时逆变器通过SPI通信方式与TP(电阻触摸屏)控制器连接[7]，采集用户的电压输入数据。液晶屏的电路连接原理图如下图2所示，TP控制器的电路连接原理图如下图3所示。

图2 液晶屏电路原理图

图3 电阻触摸屏电路原理图

逆变控制器的核心使用了一款功能强大的单片机STM32F103VET6[8]，最高处理频率可达72 MHz，外设搭建RC滤波电路、运放跟随电路、CCFL谐振变压器[9]、MP2451DT电压芯片，各模块共同作用构成了一套闭环自动控制系统[10]。使用单片机自带的PWM1管脚连接RC滤波电路，直接通过配置定时器即可产生PWM波信号，PWM波作为系统输入信号[11]；使用单片机的一个通用I/O口连接电压芯片MP2451的使能管脚，通过改变I/0口的电平高低，控制电压芯片的工作状态，当电压芯片工作时，在系统中起到电压补偿作用[12]；使用单片机ADC1的通道2管脚连接分压电路，用于采集系统高压侧经分压电路输入的分压信号，完成系统的反馈。输入、补偿和反馈组成了宽频逆变器闭环控制系统，其电压调节过程如下图4所示。

图4 逆变器闭环自动控制过程原理图

根据图4可知，宽频逆变器采用了PID闭环自动控制系统[13]，但由于单片机输出电压可变范围有限，且驱动能力不强，因此需要搭建运放跟随电路，配合电压芯片MP2451，增大电压值的同时，增强驱动能力，对整套闭环自动控制系统起到正向补偿的作用。经过补偿的电压最高可达33 V，满足不了逆变器的设计目的，因此需要在电压正向补偿之后，使用CCFL谐振变压器，经过升压CCFL电路，电压可达到设计要求电压值,CCFL结构谐振变压电路原理图如下图5所示。

图5 CCFL结构谐振变压电路原理图

用户通过显示器将需要的电压值输入单片机中，单片机根据接收到的电压数据，输出PWM波形[14]，PWM波形的占空比和输出电压值呈线性比值关系，因此调整PWM占空比，即可控制输出电压。为了保证输出的电压稳定可靠，搭建了PID自动控制电压调节系统，在电压输出侧并联一路分压电路，将高压分压到单片机可接受的电压范围内，经过运放跟随，输入单片机，形成反馈闭环控制。单片机通过ADC采样，将采集到的反馈信号电压经过换算得出此时高压侧电压值，并显示在显示器上，如果电压值没达到设定值，则调整PWM输出占空比[15]，直至ADC采集到的电压值经过倍压计算达到设定值，调压完成。

2 逆变器软件设计

鉴于硬件部分存在PWM信号放大、电流驱动增强、CCFL变压、输出电压经过比例换算后形成反馈输入等一系列变化处理，宽频逆变器软件部分需根据整个硬件架构，完成系统电压输出的自动控制过程。软件设计主要使用分段式逐步逼近的方法，使用递归程序设计思想，添加FreeRTOS实时操作系统[16]，保证系统响应的快速、准确和稳定性。软件系统运行流程图如下图6所示。

图6 系统运行流程图

系统外设初始化之后，屏幕亮起，等待用户输入需求电压，若未接受到电压值，则系统会循环扫描屏幕输入，若单片机通过串口或显示器收到用户设定的电压值时，管脚输出PWM波形，由于单片机输出的PWM驱动能力较弱，此时开启MP2451驱动芯片，MP2451反馈管脚采集单片机PWM输出信号，增强系统驱动能力。调压过程中，开启ADC采集高压侧反馈电压，软件系统实时动态调整PWM占空比。

改变PWM波形占空比即可实现调节输出电压值的目的，系统软件以用户设定电压值作为递归退出条件，当用户输入需要的电压值之后，系统开始调用调压程序。为保证软件系统调压的快速和准确性，首先将输入电压值进行分段计算，并将计算结果保存在运行内存中，最初占空比的调节以百分之五为调整单位；当达到设定值的百分之七十时，以百分之一为调整单位；当达到设定值的百分之九十时，以千分之一为调整单位，逐渐逼近用户期望输出电压，当高压输出侧反馈电压达到允许误差范围内时，递归程序退出递归过程，否则继续改变输出侧PWM占空比，直至用户需求电压输出。分段式逐步逼近调压策略如上图7所示，从上图可以看出，输出电压调节过程分为三段，设定电压调节完成比例越高，PWM占空比变化率越小，保证调压过程快速性的同时，输出电压准确性也得到了保证。

图7 分段式逐步逼近调压策略

3 应用验证

为验证宽频逆变器调压结果，添加软件测试程序，将PWM占空比以千分之一为单位依次递增，并将PWM的占空比和ADC采样到输出电压数据通过串口1打印到电脑上，整理PWM占空比和采样电压的关系，如下图8所示，横轴表示占空比值，纵轴表示宽频逆变器电压值。使用示波器对逆变器的调压过程进行验证，发现电压上升趋势和图7中的上升趋势完全一致。从图8可以看出，在升压开始和结束的时候，电压并没有紧紧跟随占空比的改变而改变，此现象主要是受限于硬件电路中电子元器件的滞后性，但这一过程持续时间极短，对用户的使用无影响。实验中发现当电压进行升压调节时，输出电压能够快速、准确的达到设定值，但进行降压调节时，输出电压受电子元器件的滞后性影响比较大，当降压幅度比较大时，此现象尤其明显。从示波器看到，降压滞后时间最长可达6 s，无法满足快速性的要求，为了解决这一硬件滞后问题，软件方面做了规避措施，当用户输入电压由高电压变为低电压时，系统软件的调压过程并不是通过减小PWM占空比降低输出电压，而是重新开启电压芯片MP2451使能管脚，变降压为升压，从而实现逆变器调压过程的快速性。

图8 PWM占空比和输出电压关系图

图9为宽频变压器配套显示屏，用户可以通过TP触摸控制器输入需要的电压值，点击下方的确定按钮之后，逆变控制器开启电压调节程序，下方显示电压调节实时数据，电压达到用户设定目标时，调压过程停止，下方显示调节完成后的实时电压值。使用电脑端对电压进行调节时，只需通过串口发送调压指令，电压变动过程和调压结果会自动在串口调试助手界面显示。经过多次调压验证，宽频逆变器可实现0～3300 V电压调节，调节输出电压误差精度可控制在1 V以内，调压时间控制在1 s之内，可满足用户对不同规格等级电压的需求。

图9 显示器调节电压界面图

4 小结

该文使用单片机设计了一款携带方便、价格便宜、输出电压可自动调节的宽频调压逆变器。通过系统整体架构介绍了宽频逆变器的系统构成；通过硬件电路介绍了宽频逆变器的硬件组成和电压输出原理，以及调压过程的自动控制过程；通过软件设计，保证了电压调节的快速性和准确性；最后通过实验，验证了宽频逆变器调压的过程和结果，经过多次对比试验验证，设计的宽频逆变器可根据用户需求，实现3300 V以内电压自由调节，电压准确、快速、稳定输出，误差精度控制在1 V以内，调压时间控制在1 s之间。宽频逆变器的设计解决了我国逆变器调压单一、不灵活的问题，同时节约了社会资源、避免了传统逆变器的各种污染，宽频逆变器制造成本低廉，使用灵活方便，满足了我国工业生产和居民生活的绝大多数的用电需求。