基于单片机的SPWM控制逆变器的设计

张 悦 林 都 鲜 浩 范国浩（中北大学，山西 太原 030051）

基于单片机的SPWM控制逆变器的设计

张 悦 林 都 鲜 浩 范国浩
（中北大学，山西 太原 030051）

摘 要：本设计采用51单片机查表法，与IR2101芯片的对应引脚连接电路，输出PWM信号以驱动双极性控制的三相逆变电路。通过等面积 SPWM 算法来输出高精度的SPWM波形，从而实现了逆变器的SPWM控制。通过建模仿真，运行结果，可以输出SPWM波形。

关键词：51单片机；逆变器；正弦脉冲宽度调制

1 引言

近年来，随着电力电子技术迅速的发展，其应用领域已扩大到工业、商业、民用、军事以及环境保护中。PWM调制技术以其控制简单，灵活和动态响应的优点而成为电力电子技术最广泛应用的调制方式，以及研究的热点之一。本设计通过分析PWM调制技术，建模仿真，用单片机进行设计实现SPWM波形的输出。

图3 逆变器控制系统图

2 逆变与PWM调制技术

2.1 逆变技术概念与分类

在电力电子技术中，将交流电能转换成直流电能的过程叫做整流。与之相反，将直流电能转换成交流电能的过程叫做逆变。逆变根据逆变电路输出交流侧交流电源的有无，可分为有源逆变和无源逆变。逆变电路根据直流电源的类型不同，又可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。而实现逆变过程的装置叫做逆变设备或逆变器。无源逆变电路输出的频率与电压既可以是恒定的，也可以是可变的，它与有源逆变具有很大的差别。

图1 三相逆变电路

图2 三相逆变电路PWM波形

2.2 PWM调制技术

PWM（Pulse Width Modulation）调制技术是对于半导体开关器件的导通和关断时间实现控制，通过对脉冲宽度进行调制，可以等效地获得需要的波形的一种技术。三相逆变电路PWM调制技术，具有动态响应快，功率因素高，电路结构简单的特点，在逆变电路中应用广泛。如图1所示为三相逆变电路，因为逆变电路的输出波形可以得到接近正弦波的输出电压和输出电流，对于各脉冲的宽度进行调制，不仅可以逆变电路输出电压的大小，而且可以改变输出电压的频率。因此在大量应用的逆变电路中，大部分都是PWM型逆变电路。

2.3 PWM调制技术方法

目前脉宽调制的方法有很多，根据调制脉冲的极性可以分为单极性和双极性调制两种。一个逆变电路，是采用单极性还是双极性调制，完全取决于主电路本身的结构。在某些逆变电路，如单相桥式逆变电路，可用单极性PWM调制方案，也可用双极性PWM调制信号去控制，而三相桥式逆变电路则采用双极性PWM调制信号去控制。如图2所示三相逆变电路PWM波形。

图4 三相逆变桥PWM输出波形

本设计电路采用三相桥式逆变器，双极性控制，设计基于等面积法产生SPWM波形。而等面积法的基本思想是将一个正弦波分成N等份，把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的矩形脉冲代替。

3 具体实现

根据上述分析，用PROTUES软件建

立仿真模型，逆变器控制系统仿真模型如图3 所示。本设计采用51单片机查表法输出PWM信号以驱动双极性控制的三相逆变桥。由于单片机端口输出电压在5V左右，而驱动电压应在12V左右，显然通过单片机是无法直接驱动IGBT工作的。本设计在单片机和IGBT之间加入相应的驱动电路，选择专用的IGBT驱动芯片IR2101来对IGBT进行驱动。

图5 三相逆变桥中点输出波形

结语

本次设计的SPWM信号发生器没有采用SPWM波形发生器的集成芯片，摆脱了传统的利用模拟数字电路对三角波和正弦波进行比较的思想。基于等面积法产生SPWM的基本原理，用单片机进行设计实现SPWM波形的输出。其电路简单、数字控制，实现三相SPWM脉宽波形的输出。要实现控制策略，只需改变程序，无需改变线路的连接，这样既经济，又缩短了开发的时间，可以得到良好 SPWM 波形。

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中图分类号：TM464

文献标识码：A