基于單片機(jī)的SPWM控制逆變器的設(shè)計(jì)

張 悅 林 都 鮮 浩 范國浩（中北大學(xué)，山西 太原 030051）

基于單片機(jī)的SPWM控制逆變器的設(shè)計(jì)

張 悅 林 都 鮮 浩 范國浩
（中北大學(xué)，山西 太原 030051）

摘 要：本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)查表法，與IR2101芯片的對應(yīng)引腳連接電路，輸出PWM信號以驅(qū)動雙極性控制的三相逆變電路。通過等面積 SPWM 算法來輸出高精度的SPWM波形，從而實(shí)現(xiàn)了逆變器的SPWM控制。通過建模仿真，運(yùn)行結(jié)果，可以輸出SPWM波形。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；逆變器；正弦脈沖寬度調(diào)制

1 引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)迅速的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)大到工業(yè)、商業(yè)、民用、軍事以及環(huán)境保護(hù)中。PWM調(diào)制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的調(diào)制方式，以及研究的熱點(diǎn)之一。本設(shè)計(jì)通過分析PWM調(diào)制技術(shù)，建模仿真，用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)SPWM波形的輸出。

圖3 逆變器控制系統(tǒng)圖

2 逆變與PWM調(diào)制技術(shù)

2.1 逆變技術(shù)概念與分類

在電力電子技術(shù)中，將交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能的過程叫做整流。與之相反，將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能的過程叫做逆變。逆變根據(jù)逆變電路輸出交流側(cè)交流電源的有無，可分為有源逆變和無源逆變。逆變電路根據(jù)直流電源的類型不同，又可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路。而實(shí)現(xiàn)逆變過程的裝置叫做逆變設(shè)備或逆變器。無源逆變電路輸出的頻率與電壓既可以是恒定的，也可以是可變的，它與有源逆變具有很大的差別。

圖1 三相逆變電路

圖2 三相逆變電路PWM波形

2.2 PWM調(diào)制技術(shù)

PWM（Pulse Width Modulation）調(diào)制技術(shù)是對于半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間實(shí)現(xiàn)控制，通過對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，可以等效地獲得需要的波形的一種技術(shù)。三相逆變電路PWM調(diào)制技術(shù)，具有動態(tài)響應(yīng)快，功率因素高，電路結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，在逆變電路中應(yīng)用廣泛。如圖1所示為三相逆變電路，因?yàn)槟孀冸娐返妮敵霾ㄐ慰梢缘玫浇咏也ǖ妮敵鲭妷汉洼敵鲭娏?，對于各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，不僅可以逆變電路輸出電壓的大小，而且可以改變輸出電壓的頻率。因此在大量應(yīng)用的逆變電路中，大部分都是PWM型逆變電路。

2.3 PWM調(diào)制技術(shù)方法

目前脈寬調(diào)制的方法有很多，根據(jù)調(diào)制脈沖的極性可以分為單極性和雙極性調(diào)制兩種。一個逆變電路，是采用單極性還是雙極性調(diào)制，完全取決于主電路本身的結(jié)構(gòu)。在某些逆變電路，如單相橋式逆變電路，可用單極性PWM調(diào)制方案，也可用雙極性PWM調(diào)制信號去控制，而三相橋式逆變電路則采用雙極性PWM調(diào)制信號去控制。如圖2所示三相逆變電路PWM波形。

圖4 三相逆變橋PWM輸出波形

本設(shè)計(jì)電路采用三相橋式逆變器，雙極性控制，設(shè)計(jì)基于等面積法產(chǎn)生SPWM波形。而等面積法的基本思想是將一個正弦波分成N等份，把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個與此面積相等的矩形脈沖代替。

3 具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述分析，用PROTUES軟件建

立仿真模型，逆變器控制系統(tǒng)仿真模型如圖3 所示。本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)查表法輸出PWM信號以驅(qū)動雙極性控制的三相逆變橋。由于單片機(jī)端口輸出電壓在5V左右，而驅(qū)動電壓應(yīng)在12V左右，顯然通過單片機(jī)是無法直接驅(qū)動IGBT工作的。本設(shè)計(jì)在單片機(jī)和IGBT之間加入相應(yīng)的驅(qū)動電路，選擇專用的IGBT驅(qū)動芯片IR2101來對IGBT進(jìn)行驅(qū)動。

圖5 三相逆變橋中點(diǎn)輸出波形

結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的SPWM信號發(fā)生器沒有采用SPWM波形發(fā)生器的集成芯片，擺脫了傳統(tǒng)的利用模擬數(shù)字電路對三角波和正弦波進(jìn)行比較的思想。基于等面積法產(chǎn)生SPWM的基本原理，用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)SPWM波形的輸出。其電路簡單、數(shù)字控制，實(shí)現(xiàn)三相SPWM脈寬波形的輸出。要實(shí)現(xiàn)控制策略，只需改變程序，無需改變線路的連接，這樣既經(jīng)濟(jì)，又縮短了開發(fā)的時間，可以得到良好 SPWM 波形。

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