一种高性能逆变电源的实现过程分析

　　逆变电源是不间断电源、静止航空电源、新能源发电技术等许多设备的关键部件。许多场合都要求逆变器能输出失真度小的正弦波，因而消除谐波是逆变电源的基本要求之一[1]。文献[2]讨论了继电保护测试仪用逆变电源的设计，其中利用SPWM生成芯片，结合频率调节实现相位的闭环控制，其逆变电源可精确跟踪给定信号频率，并控制相位和幅值;文献[3]介绍了基于TMS320F2812DSP的逆变中频电源，其充分利用了DSP的外围硬件电路，省去了单片机控制时的部分扩展电路;文献[4]给出了单相逆变电源的主电路和控制电路的设计思想，仿真软件OrCAD的仿真结果证实了其设计的单相逆变电源的输出电压谐波含量较低。笔者拟采用单片机作为控制器，脉冲信号产生采用消谐PWM法，详细介绍其硬件、软件实现过程。

　　消谐PWM控制

　　采用PWM控制技术的主要目的之一是为了解决逆变电源输出的谐波问题[1]，高频PWM控制不仅可以有效地减小输出电压的谐波含量，而且可以方便地调节输出电压的大小。消谐控制的基本思想是：以PWM脉冲波形的切换点相位作为未知数，通过PWM脉冲的傅里叶级数分析，获得输出电压的基波分量和各次谐波分量的表达式，然后根据基波和各次谐波幅值的要求建立一个与未知数个数相等的方程组，通过求解方程组，获得各个脉冲的切换时刻，并按该时刻实施控制，则输出电压的基波和各次谐波幅值将会是期望值。一般情况下，总是令基波幅值为一个期望的非零值，而令各次谐波的大小为零，这样经过消谐PWM控制方程的逆变器将不含指定的低阶谐波值。

　　假定逆变器输出PWM波形在四分之一周期内有N个开关切换点，每个开关切换点对应的相位角分别为(ai=1，2，…，N)，且有0≤a1

　　式(1)为双极性调制且开关角个数N为奇数时的表达式，式(2)为双极性调制且开关角个数N为偶数时的表达式，式(3)为单极性调制时的表达式。设逆变器输出基波电压幅值与输入直流母线电压比值为M，假定式(1)、式(2)对应的PWM波形用于三相逆变器，式(3)对应的PWM波形用于单相逆变器，则式(1)~(3)式可得出相对应的消谐方程分别如(4)~(6)式所示。求解上述方程即可得到一组开关切换角，将此切换角转化为单片机定时计数脉冲数据表保存在程序存储器中，供实时控制时查询。

　　控制系统

　　控制系统是按照给定信号的要求，控制并调节主电路开关管的开通与关断，从而控制主电路产生期望的输出电压，并使输出电压尽可能地跟随给定的电压信号。图1给出了逆变电源的硬件电路基本框图。触发脉冲的产生采用数字电路的方法，完全可以用控制器的软件程序来实现其功能，节约了成本，而且相比较于模拟电路，这种方法的抗干扰能力较强。

　　逆变电路控制系统以AVR单片机为核心[1]，其功能主要是产生全桥逆变电路中开关管的驱动信号，同时通过实时采样线路电压和电流来实现逆变电源的调节和保护。对于直流母线侧的输入电压信号，采用霍尔传感器变压后，电压信号经过由运算放大器组成的射级跟随器，送到窗口比较器，窗口的上下两阈值分别对应过电压和欠电压限值，如果在窗口范围内则电压正常，否则输出过电压或欠电压故障信号;对于直流母线侧的电流信号，采用采样电阻对其进行测量，采样电阻两端电压送运算放大器放大和抗干扰滤波处理后，与设定的过电流阈值比较，实现逆变器的输出或内部电路过电流的报警和处理。以上两种保护信号经过逻辑与处理，送到单片机的外部中断请求输入引脚，无论何种情况引起的故障信号，均可以向单片机提出中断请求，单片机响应中断，通过封锁所有开关管的驱动信号来实现保护，同时给出故障指示。

　　控制器采用8位AVR单片机。8位AVR MCU具备1MIPS / MHz的高速运行处理能力;超功能精简指令集(RISC)，具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象;快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率;作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA(单一输出)，作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10~20mA灌电流的能力;片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠;片上资源丰富。将逆变器的期望输出频率给定值以编码的方式输入控制器，CPU根据读入的频率代码确定应选择的消谐PWM控制数据，并通过内部定时控制，按此规定的PWM数据，从CPU的I/O端口输出逆变桥开关管的驱动信号，控制开关器件的导通和关断，实现消谐控制。

　　系统软件

　　逆变电源的控制软件由主程序、定时器中断服务程序、外部中断服务程序三个部分组成。主程序用来初始化单片机的工作方式，从I/O口读入逆变电源期望输出频率给定值的编码，当给定输出频率发生变化时，其编码值会随之变化，此时修改频率变化标志，并在定时器中断服务程序按新的消谐PWM开关切换数据进行定时控制，实现驱动信号的切换。定时器中断服务程序主要完成对开关切换数据的定时控制，输出相应的开关管驱动信号，实现消谐PWM控制。外部中断服务程序主要实现逆变电源的故障保护功能，当故障中断请求发生时，单片机及时响应中断，在确认有故障发生时，封锁驱动信号，并输出故障代码。

　　结语

　　本设计较为详细、全面地分析了逆变电源的单片机实现过程，在详细分析了消谐PWM控制的基本原理的同时，给出了三相逆变电源主电路的结构图，同时给出了基于单片机的逆变电源硬件控制电路。