一種基于PIC單片機(jī)的正弦波逆變器設(shè)計(jì)

陳毅光+徐凱+何衛(wèi)彬

摘 要 本文采用PIC16F877A單片機(jī)作為控制器，設(shè)計(jì)了一種正弦波逆變器。介紹了PIC單片機(jī)控制的SPWM波實(shí)現(xiàn)方法，給出了相關(guān)的電路原理圖及程序流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此正弦波逆變器性能良好，THD含量少，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 PIC16F877A；逆變；SPWM

中圖分類號 TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0135-02

目前，SPWM信號主要有3種生成方式：1）使用比較器、振蕩器等模擬電路產(chǎn)生三角波和方波進(jìn)行比較，產(chǎn)生SPWM波，但是此種方法電路復(fù)雜，受元器件精度影響大，且不易控制；2）利用專用SPWM集成芯片，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，集成度高，缺點(diǎn)是無法全面實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的反饋控制、監(jiān)視管理和保護(hù)工作，故一般也要配合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)；3）利用單片機(jī)等微處理器產(chǎn)生SPWM波，此方法控制電路簡單，調(diào)節(jié)靈活，硬件成本低。本文介紹一種利用PIC16F877A單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM波形的方法，并將其應(yīng)用到全橋逆變電路中，驗(yàn)證了利用PIC單片機(jī)調(diào)制SPWM波的可行性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上看主要由單片機(jī)控制電路、驅(qū)動(dòng)及逆變主電路組成。

1.1 單片機(jī)控制電路

1.1.1 PIC16F877A單片機(jī)主要功能簡介

該系列單片機(jī)主要資源及功能有：1）3個(gè)定時(shí)器，2個(gè)8位，1個(gè)16位；2）8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，1個(gè)參考電壓發(fā)生器，2個(gè)模擬電壓發(fā)生器；3）368字節(jié)（368×8位）的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；4）上電復(fù)位（POR），掉電復(fù)位（BOR）；5）2個(gè)CCP模塊，具有捕捉、比較、脈寬調(diào)制功能；6）有兩個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器TMR0、TMR2和一個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器TMR1，其中TMR2帶有一個(gè)欲分頻器、一個(gè)后分頻器和一個(gè)周期寄存器。TMR2還是CCP模塊中PWM工作方式下的時(shí)基[ 1 ]。

1.1.2 系統(tǒng)控制電路

本系統(tǒng)利用該系列單片機(jī)的CCP模塊CCP1和CCP2輸出兩路互補(bǔ)SPWM波，然后通過反相器產(chǎn)生四路信號送至驅(qū)動(dòng)電路。逆變輸出電壓具有穩(wěn)壓反饋功能，通過連接單片機(jī)RA0/AN0實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)控制電路如圖1所示。

1.2 驅(qū)動(dòng)及逆變主電路

本系統(tǒng)采用全橋逆變形式，驅(qū)動(dòng)及逆變主電路如圖2所示。當(dāng)Q1，Q4導(dǎo)通時(shí)，Q2，Q3斷開；當(dāng)Q2，Q3導(dǎo)通時(shí)，Q1，Q4斷開。驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2110，此芯片具有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，懸浮電源采用自舉電路，獨(dú)立的功率地和邏輯地，使得芯片結(jié)構(gòu)更加可靠[ 2 ]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 PWM周期設(shè)定

實(shí)驗(yàn)中，PIC單片機(jī)采用10MHz晶振，SPWM的頻率定為10kHz，因此單片機(jī)每執(zhí)行一個(gè)指令，周期為0.4us。PIC單片機(jī)CCP模塊產(chǎn)生SPWM需要TMR2定時(shí)器配合完成。其中占空比控制由寄存器CCPRxH和CCPRxL完成，PWM周期的設(shè)定由寄存器PR2控制，PWM周期計(jì)算公式如下：

（PWM）周期=（PR2+1）×4×Tosc×（TMR2）預(yù)分頻其中Tosc為1/10MHz，TMR2預(yù)分頻設(shè)為1：4，由此計(jì)算得PR2=62。

2.2 SPWM軟件實(shí)現(xiàn)過程

在MPLAB IDE編譯環(huán)境下采用c語言進(jìn)行編譯，設(shè)置相關(guān)寄存器，使能TMR2定時(shí)器，從0開始計(jì)數(shù)，同時(shí)CCP模塊引腳輸出高電平。在PWM模式下，TMR2計(jì)數(shù)將同步進(jìn)行兩次比較：1）當(dāng)TMR2≥CCPRxL時(shí)，CCPx引腳輸出低電平；2）當(dāng)TMR2≥PR2時(shí)，TMR2被清零，CCPx引腳輸出高電平，PWM占空比從CCPRxL復(fù)制到CCPRxH中鎖存。同時(shí)TMR2的中斷標(biāo)志位被系統(tǒng)置高，即TMR2IF=1，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷程序[3]。

程序中脈寬表共有100個(gè)數(shù)值，100個(gè)脈寬值對應(yīng)半個(gè)周期，存儲(chǔ)在單片機(jī)ROM中以供調(diào)用。中斷程序每運(yùn)行一次，更新一次脈寬值。當(dāng)計(jì)數(shù)Count≤100時(shí)，脈寬值存入CCPR1L中，CCPR2L=0；當(dāng)100

3 實(shí)驗(yàn)分析

逆變器接阻性負(fù)載，輸出穩(wěn)定的正弦波，輸出端檢測的電壓波形如圖4所示，此時(shí)電壓為224V，頻率50Hz，滿足工頻要求，且正弦性好。

4 結(jié)論

基于PIC單片機(jī)控制的正弦波逆變器，電路簡單，成本低廉。采用軟硬結(jié)合的方式控制的SPWM波輸出精度高，調(diào)節(jié)靈活、性能可靠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該逆變器的電壓和頻率穩(wěn)定，總諧波含量THD低，正弦性好，在日益發(fā)展的電力電子技術(shù)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]姚曉通，楊博，劉建清.輕松玩轉(zhuǎn)PIC單片機(jī)C語言[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：4-5.

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[3]陳曉萍，王念春，馬玉龍.PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)的SPWM控制技術(shù)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2006，9（3）：39-40.