一種基于單片機(jī)的變頻電源設(shè)計

董嘉雪 辛平 程明

摘? ?要：電源正朝著高效率，高穩(wěn)定度，高功率密度，低污染，模塊化發(fā)展。為了滿足輸出電壓和頻率可變的逆變電源的基本指標(biāo)，調(diào)制方式上各種新穎的調(diào)制技術(shù)不斷涌現(xiàn)，控制上各種適合于不同要求的逆變器的控制方案被提了出來。本設(shè)計是基于SPWM逆變技術(shù)，將由單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM波輸出作為絕緣柵雙極晶閘管的驅(qū)動信號，最后通過低通濾波，從而在輸出端得到一個無失真的正弦信號波形。本文設(shè)計了一種交流電力頻率轉(zhuǎn)換器（AFC），提高交直流轉(zhuǎn)換器與無功功率控制，其超前相位補(bǔ)償原理是導(dǎo)致減少當(dāng)前控制回路的給定線頻率帶寬的要求。由于這些特性，可使用相對減緩轉(zhuǎn)換功率等設(shè)備，因此它可以用于高電平交流線頻率。

關(guān)鍵詞：變頻電源? IGBT? SPWM調(diào)制? 單片機(jī)

中圖分類號：TM91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）05（b）-0058-02

國內(nèi)的變頻電源有程控型和模擬型，二者均采取SPWM技術(shù)，SPWM電路均是在一定條件下選取硬件實(shí)現(xiàn)及全控橋逆變電路搭建而成;而異同點(diǎn)是程控型實(shí)則是模、數(shù)混合系統(tǒng)人機(jī)對話，此混合模式能更加利于把數(shù)據(jù)傳送與上位機(jī)微機(jī)，但當(dāng)編寫程序不當(dāng)，或不合理的工藝布局，都相對其他易于產(chǎn)生機(jī)體死機(jī)并復(fù)位現(xiàn)象。而模擬型則全是由硬件匹配實(shí)現(xiàn)的，是由控制以及調(diào)制電壓，頻率的旋鈕設(shè)置產(chǎn)生。從國內(nèi)市場來看除了上述兩種外，還有一種是在一定條件下選取線性放大技術(shù)，并且此類電源市場占有率相比較而言較小，且功率只能輸出為幾千瓦。隨著世界新興技術(shù)迅速的發(fā)展，電源技術(shù)等很多學(xué)科領(lǐng)域都緊密相連。在現(xiàn)代通信，電子儀器，計算機(jī)，工業(yè)自動化，電力工程，國防以及某些的高新技術(shù)中發(fā)揮著相對于而言更加重要的作用。現(xiàn)如今大多數(shù)的高新技術(shù)同電源的電壓，電流，頻率，相角以等參數(shù)控制及變換緊密相連，由此電源技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，對于控制以及高效率的處理形式的參數(shù)來說更加精確，特別是在電能頻率轉(zhuǎn)換過程中實(shí)現(xiàn)大功率，故為多項(xiàng)的創(chuàng)新型技術(shù)提供更為廣闊的前景。

1? 系統(tǒng)組成及單元電路設(shè)計

變頻器電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，如圖1所示。主電路通入20V的電源，絕緣柵雙極晶閘管驅(qū)動電路通入15V電源，此時PWM發(fā)生器接入9V電源后，輸出的電壓途經(jīng)低通濾波，由直流母線側(cè)能得到相對穩(wěn)定的直流電壓值。再由PWM發(fā)生電路中，通過調(diào)節(jié)滑動電阻器，使其電壓可調(diào)，通過調(diào)節(jié)步長的增量，可調(diào)節(jié)頻率的大小后，輸出的直流電壓，途經(jīng)直交流的逆變后，再由絕緣柵雙極晶閘管的驅(qū)動與保護(hù)電路所送出的信號輸出，在途經(jīng)一級小容量相對較小的濾波網(wǎng)絡(luò)后，即可在輸出端用示波器測得，相對而言理想的正弦波。且在電壓采集的數(shù)碼管中，輸出電壓值。

在PWM發(fā)生電路中以MCS51單片機(jī)為主體的逆變電路，途經(jīng)絕緣柵雙極晶閘管所獲取的驅(qū)動信號，以及直流母線側(cè)的電壓采樣采用STC2052AD單片機(jī)編程，同一時間加以監(jiān)測并顯示直流母線側(cè)電壓值，使整個系統(tǒng)更加方便用戶的操作。

1.1 驅(qū)動與保護(hù)電路設(shè)計

本設(shè)計由15V的電源控制供電的電路，驅(qū)動的信號SPWM正弦波由（2）輸入。將單片機(jī)的輸出脈沖功率放大以此為驅(qū)動電路的作用，以驅(qū)使絕緣柵雙極晶閘管，保證絕緣柵雙極晶閘管穩(wěn)定工作。絕緣柵雙極晶閘管的驅(qū)動保護(hù)電路，如圖2所示。

1.2 STC89C51單片機(jī)軟件流程

SPWM的產(chǎn)生是用 STC89C51單片機(jī)編程之后途經(jīng)DAC0832D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，Im358放大電路以及穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)，根據(jù)SPWM每等份面積不同，在重新加載時給與不同的定時時間，從而實(shí)現(xiàn)按正弦規(guī)律變化的SPWM輸出再由DAC0832模數(shù)轉(zhuǎn)化，途經(jīng)Im358放大電路，穩(wěn)壓電源之后輸出SPWM波。軟件流程圖，如圖3所示。

2? 測試結(jié)果

本設(shè)計是基于基于絕緣柵雙極晶閘管的變頻電源，其以PWM脈沖發(fā)生裝置及絕緣柵雙極晶閘管的驅(qū)動電路為主要設(shè)計部分。因?yàn)樵跍y試時還需要15V直流電源、20V直流電源、信號接地以及電源接地。當(dāng)波形發(fā)生器的頻率分別為1k，100k時，經(jīng)低通濾波器，驅(qū)動電路放大，以及電壓采集信號后所獲取得到的方波波形。其中，1k頻率下的輸出波形，如圖4所示。100k頻率下的正弦波輸出波形，如圖5所示。

脈沖發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖為矩形波，并且占空比可調(diào)，符合預(yù)期的要求。對驅(qū)動電路的測試可以看出整個過程中絕緣柵雙極晶閘管的工作正常，并且脈沖信號可以控制絕緣柵雙極晶閘管的關(guān)斷。進(jìn)一步說明了本設(shè)計的成功性。

3? 結(jié)語

本文綜合了電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)微機(jī)控制技術(shù)等多項(xiàng)基礎(chǔ)理論技術(shù)，設(shè)計了一款能利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對脈沖的占空比可調(diào)的智能控制開關(guān)電源。通過鍵盤預(yù)置電壓控制單片機(jī)，進(jìn)行脈寬調(diào)制，使輸出電壓在大范圍內(nèi)可調(diào)。與傳統(tǒng)線性電源相比，這種電源的效率更高，同時電源的體積和重量也減小了很多。由于電源中有智能控制元件應(yīng)用，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，還使電源有更好的操作性，并且更容易升級。

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