基于PIC16F1507的逆變器設(shè)計(jì)

劉立強(qiáng)， 韓光， 朱昌亞

(天寶電子(惠州)有限公司新能源研究院，廣東 惠州 516005)

基于PIC16F1507的逆變器設(shè)計(jì)

劉立強(qiáng)， 韓光， 朱昌亞

(天寶電子(惠州)有限公司新能源研究院，廣東 惠州 516005)

傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制的逆變器，需采樣電壓和電流，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜。設(shè)計(jì)了一種基于PIC16F1507的逆變器，僅需要采樣瞬時(shí)電壓，利用PI控制算法，結(jié)合電壓前饋，使輸出的波形滿足質(zhì)量和響應(yīng)速度要求。設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理和保護(hù)電路，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，并對(duì)電路參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹，制作一臺(tái)500 W樣機(jī)并完成了測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，外圍電路簡(jiǎn)單，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

PIC16F1507; 逆變器; 前饋; 瞬時(shí)值控制；峰值電壓；PI

0 引 言

在逆變器的閉環(huán)控制方案中，電壓有效值控制能夠維持輸出電壓穩(wěn)定，但不能保證波形質(zhì)量。輸出瞬時(shí)值控制可以實(shí)時(shí)地調(diào)控輸出電壓波形，使供電質(zhì)量大為提高。一些工業(yè)領(lǐng)域用的大功率逆變器,對(duì)輸出諧波要求高，一般會(huì)采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制方式，該方案優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載特性好，響應(yīng)速度快，波形畸變率低[1]。但電路中加入了傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，增加了成本，在民用小功率逆變器上，該方案使用不多。

本文提出了一種電壓瞬時(shí)值控制方案，采樣輸出峰值電壓，作為瞬時(shí)值與給定值比較，得到偏差值ΔE[2]。根據(jù)ΔE實(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)制比M，驅(qū)動(dòng)H橋MOS管，經(jīng)過(guò)LC濾波后，輸出符合要求的正弦波。以PIC6F1507為主控制芯片，完成了一臺(tái)500 W純正弦波逆變器，最后對(duì)樣機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 SPWM生成原理

1.1 逆變控制原理

采用規(guī)則采樣法，再離散化，得到輸出正弦波電壓：

Uk=M×Ud×sin(kπ/n)(k=0,1,…,n-1)

(1)

其中Uk是輸出正弦波的瞬時(shí)電壓，M是調(diào)制比，M=Us/Uc，Ud是母線電壓，k是采樣點(diǎn)，n是采樣點(diǎn)總數(shù)；

由公式(1)可知，若Ud、n一定，則可通過(guò)調(diào)整M來(lái)控制正弦波瞬時(shí)電壓Uk。

1.2 SPWM生成數(shù)字化

圖1 規(guī)則采樣法獲得SPWM

圖1所示為采用三角波作為載波的規(guī)則采樣獲得的SPWM。

在三角波波谷時(shí)刻tD對(duì)正弦波采樣得到D點(diǎn)，過(guò)D點(diǎn)作水平直線與三角波分別相交于A點(diǎn)和B點(diǎn)，在A點(diǎn)的時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB間輸出高電平，其他時(shí)刻輸出低電平。根據(jù)三角關(guān)系，可以得出：

(2)

其中σ是脈沖寬度，Tc是三角波周期[3]。

在逆變器控制設(shè)計(jì)中，調(diào)制波和載波頻率一定，tD時(shí)刻為第k個(gè)三角波周期(k=0,1,2,…,n-1,n=Ts/Tc)，其中，n為載波比，Ts為正弦波周期，如果一個(gè)周期內(nèi)有n個(gè)矩形波，那么第k個(gè)矩形波的占空比D為：

(3)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 功率電路圖

如圖2所示，功率主電路采用了H橋結(jié)構(gòu)，C1為直流母線濾波電容，用來(lái)穩(wěn)定母線電壓，四個(gè)MOS管Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成H橋。對(duì)于MOS管Q1，R1為驅(qū)動(dòng)電阻，R2連接MOS管G極和S極，用來(lái)泄放G、S之間的靜電。肖特基二極管D1為放電回路。主電路中R11為1%精度采樣電阻，用來(lái)偵測(cè)主電路電流。輸出側(cè)電阻R9與R10構(gòu)成輸出電壓采樣電路。

圖2 功率主電路

對(duì)于500 W/220 V輸出逆變器，主電路參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

(1)電容C1的參數(shù)選擇

(4)

式中η為逆變轉(zhuǎn)換效率，一般取0.96。根據(jù)耐壓與紋波電流，查電解電容選型手冊(cè)，選220 μF/450 V電解電容可滿足要求。

(2)LC濾波參數(shù)選擇

載波頻率f=18 kHz，LC濾波器截止頻率計(jì)算公式為：

(5)

截止頻率為載波頻率的0.1～0.2倍[4-5]，這里取fL=2 000 Hz，L=3 mH，由式(5)得出C=2.11 μF?？蛇x用2.2 uF/630 V聚酯電容。電感可選用感量為3.0 mH，過(guò)電流能力為2.3 A的鐵硅鋁電感。

2.2 控制和驅(qū)動(dòng)電路

如圖3所示，PIC16F1507作為逆變的控制芯片，RC4、RC5引腳配置為互補(bǔ)的SPWM輸出信號(hào)，控制H橋的Q1、Q3，Q2、Q4則由引腳RA2和RC1輸出的PWM信號(hào)控制。RB4和RC6為AD口，分別采樣輸出電壓和主回路電流,用于電壓反饋控制和過(guò)載保護(hù)[6]。IR2110S作為驅(qū)動(dòng)芯片，將MCU發(fā)出的SPWM信號(hào)放大后直接驅(qū)動(dòng)MOSFET,第13腳shutdown為輸出使能腳，高電平有效。

圖3 控制與驅(qū)動(dòng)電路

電壓信號(hào)VFB經(jīng)過(guò)RC濾波后送至U1的RB4腳；主回路電流信號(hào)IFB經(jīng)過(guò)RC濾波后同時(shí)送至U1的RC6腳和比較器LM393第3腳。當(dāng)輸出短路時(shí)，短路電流IFB在取樣電阻R11上的電壓大于參考電壓Vref，LM393第1腳電平翻轉(zhuǎn)，將IR2110S的第13腳拉高，關(guān)斷SPWM輸出，避免MOS管損壞[7]。當(dāng)逆變輸出過(guò)載時(shí)，則由軟件關(guān)斷SPWM信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1)逆變控制框圖

對(duì)逆變輸出電壓峰值采樣，再與給定值比較，結(jié)合電壓前饋[8]，得到偏差值ΔE。根據(jù)ΔE實(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)制比M，驅(qū)動(dòng)H橋MOS管，經(jīng)過(guò)濾波后輸出正弦波(如圖4所示)。

圖4 逆變環(huán)路控制框圖

2) 逆變系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

逆變系統(tǒng)流程圖如圖5所示。首先配置時(shí)鐘、PWM、IO口及AD采樣口，開(kāi)啟中斷后，啟動(dòng)采樣和PWM；實(shí)時(shí)采樣輸出電壓和電流，根據(jù)采樣的電壓峰值調(diào)節(jié)輸出電壓，并判斷輸出是否過(guò)欠壓、過(guò)流及過(guò)載。

圖5 逆變系統(tǒng)流程圖

根據(jù)前文1.2中所述的原理，設(shè)計(jì)控制算法，使得逆變輸出電壓穩(wěn)定在給定值附近。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

逆變器設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下。

額定功率：500 W

輸出電壓：220 V±5%；

輸出頻率：220 VAC±5%；

諧波總量：UTHD(額定) ≤3%(純阻性負(fù)載)；

瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間:ts≤60 ms；

Chroma 62150H-600S可編程直流電源作為逆變器DC輸入，500 W功率電阻做阻性負(fù)載，用恒河WT500功率分析儀測(cè)試效率及諧波總量，結(jié)果如下：

(1)空載、滿載輸出測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 逆變輸出特性指標(biāo)

滿載時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為96.8%。

(2)滿載與空載相互切換，測(cè)試瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，結(jié)果如表2所示。

表2 瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

其中滿載切換至空載波形圖如圖6所示。

最后驗(yàn)證了逆變輸出過(guò)載及短路保護(hù)功能，從測(cè)試結(jié)果可以看出，無(wú)論是逆變輸出指標(biāo)還是負(fù)載切換瞬態(tài)時(shí)間響應(yīng)，均可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 滿載切換至空載波形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

在分析了SPWM生成原理及逆變電路拓?fù)涞幕A(chǔ)上，介紹了基于PIC16F1507的逆變器設(shè)計(jì)該方案，通過(guò)電壓瞬時(shí)值控制實(shí)現(xiàn)了正弦波輸出，電壓、頻率、諧波及響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)均滿足可日常應(yīng)用需求。該電路簡(jiǎn)潔，成本低廉，較適用于分布式發(fā)電場(chǎng)合。

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Design of Power Inverters Based on PIC16F1507

Liu Liqiang, Han Guang, Zhu Changya

(Research Institute of New Energy, Ten bao Electronics (Huizhou) Co., Ltd., Huizhou Guangdong 516005, China)

As traditional power inverters using double closed-loop control require sampling voltage and current and involve complex circuit design, this paper gives a design of converters based on PIC16F1507, which just need sampling of instantaneous voltage, PI control algorithm and voltage feed-forward to make the output waveform meet quality and response speed requirements. Signal conditioning and protection circuitry is designed to enhance the reliability and anti-jamming capability of the system, and circuit parameter design is described in detail. A 500W prototype is made, and test and certification is completed. The test results show that this scheme can meet the design targets, contains a simple peripheral circuit and has an engineering value.

PIC16F1507;power inverter;feed-forward; instantaneous control;peak voltage;PI

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目：光伏發(fā)電系統(tǒng)集成及光伏逆變器研發(fā)成果產(chǎn)業(yè)化(2011B090400066)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.002

TM464

A

1000-3886(2017)01-0004-03

劉立強(qiáng)(1976-)，男，湖北荊州人，碩士，工程師。從事分布式發(fā)電應(yīng)用技術(shù)研究。

定稿日期: 2016-06-30