基于PIC 单片机的单相逆变器的设计与实现

王锋，潘梦鹞，吕小勇，陈少伟

（广东工贸职业技术学院，广东广州，510510）

0 引言

近年来，随着电力电子技术及微机技术的飞速发展，逆变器的应用领域日益广泛。逆变器广泛应用于工业、农业、交通、家电、医疗卫生、航空航天等各个领域，各种类型的逆变器及其控制策略也层出不穷[1-3]，掌握逆变技术研发、应用及逆变器运行维护、维修的技术人才也日益紧缺。为培养具备相关技术基础的人才，各大本科院校及高职院校的工科类相关专业也设置了“电路基础”、“电力电子技术”、“功率变换技术”等相关课程。

由于商用逆变器的驱动电路及其控制技术相对复杂，因此本科院校及高职院校关于逆变控制技术原理的教学过程，多停留在理论教学阶段，学生难以进行逆变控制技术的实践练习，而通常只有进入研究生学习阶段，才能得到一定的实践锻炼机会，才能进一步加深对逆变控制技术的了解。

1 单相逆变器的原理框图

为降低逆变控制技术原理的教学难度，提升教学效果，提高学生动手实践的学习能力，本文设计了一个基于PIC 单片机的实用单相逆变器教学模型，该教学模型采用模块化设计，每个模块的功能相对独立，每个模块均从原理教学的角度出发，采用简单实用的控制电路，每个模块均可由学生手动焊接，将各模块连接后可组成单相桥式逆变器。本文设计的单相桥式逆变器驱动电路相对简单，整个逆变器教学模型的制作成本较低，方便学生动手实践制作。学生通过动手搭建、调试逆变电路，可以进一步加深对逆变控制技术原理的理解，从而更好地掌握逆变控制技术原理。

本文设计的单相逆变器原理框图如图1 所示。

图1 单相逆变器原理框图

2 单相逆变器的硬件实现

■2.1 单相逆变器控制器模块

单相逆变器控制器模块为基于PIC16F877A 单片机的最小系统，该模块内含控制器、电源、时钟、复位电路及IO接口电路等。PIC16F877A 单片机内置PWM 发生器，用于产生1 路PWM 信号。为方便PWM 周期计算，时钟电路频率设计为1MHz，即一个机器周期为1μs。复位电路用于在系统故障时复位到初始状态。IO 接口设计为2.54mm 间距的排针接口，可通过杜邦线与后续模块连接，方便实用。单相逆变器控制器模块原理图如图2 所示。

图2 单相逆变器控制器模块原理图

■2.2 单相逆变器辅助电源模块

单相桥式逆变器至少需要3 路独立隔离电源驱动，本设计采用4 路独立隔离电源。因多路隔离输出开关电源制作工艺复杂，不利于初学的学生学习制作，故本设计的4 路隔离电源采用工频变压器及桥式整流器、三端稳压器、电容滤波器等制作，其成本低、易制作，方便学生动手实践练习。4 路隔离辅助电源经光耦驱动电路作为单相桥式逆变器功率开关的驱动辅助电源。4 路隔离辅助电源的4 路输出彼此互相隔离，并且与前述单相逆变器控制器模块的电源隔离。4 路隔离辅助电源的输出均设计为直流15V、12V、9V 可选，可用于驱动由MOS管组成的逆变桥或由IGBT 组成的逆变桥。考虑降低电源电路的复杂性，方便焊接制作，电源模块未设计负电源输出。4 路隔离辅助电源模块原理图如图3 所示，原理图仅画出15V DC 输出部分，其左侧输入端子P1-P4 接一个220V/18V、4 路输出的工频变压器，右侧15V DC 输出端子P5-P8 与单相逆变器驱动电路连接。

图3 4 路隔离辅助电源模块原理图

■2.3 单相逆变器驱动电路模块

单相逆变器驱动电路模块通过反相器将控制器模块产生的一路PWM 信号转换为4 路两两互补的PWM 信号，并经4 路光耦隔离驱动电路将PWM 信号转换为单相桥式逆变器4 个功率开关的门极驱动信号。4 路光耦隔离驱动电路电源采用前述的4 路隔离辅助电源。单相逆变器驱动电路原理图如图4 所示，左侧P1 端子为信号输入端，光耦输入电阻R1-R4 选330Ω，工作电流约4mA，该电流在光耦及反相器正常工作范围内；右侧P2-P4 端子为驱动信号输出端，分别与单相逆变器的4 个功率开关管相连，用以驱动逆变器的4 个功率开关管。

图4 单相逆变器驱动电路原理图

■2.4 单相桥式逆变电路模块

单相桥式逆变电路可采用MOS 管（如IRFZ34）或IGBT 管（如FGA25N120AN）搭建，其原理图如图5 所示，左侧P5 端子接动力直流电源，动力直流电源可由普通铅酸电池、锂电池或其它直流电源提供，选择灵活、方便，易于获取，但选择时应保证直流电压不超出单相桥式逆变器功率开关的工作范围。右侧P6 端子为交流输出端，Q1-Q4 为功率开关管，P1-P4 端子与驱动电路连接，接收PWM 驱动信号。单相桥式逆变电路可根据控制器模块的设定输出方波交流电或正弦波交流电，其频率及幅值由控制器设定。

图5 单相桥式逆变电路原理图

■2.5 单相桥式逆变器实物

据上述电路原理搭建的单相逆变器如图6 所示，其中控制器模块的单片机采用PIC16F877A；辅助电源模块的变压器采用220V/18V/10W一入四出的工频变压器，稳压器采用L78XX 系列三端稳压芯片；驱动电路模块的光耦采用TLP250；单相桥式逆变电路的功率开关采用IGBT管FGA25N120AN。

图6 单相桥式逆变器

3 单相逆变器的输出控制

■3.1 方波交流电输出控制

单相逆变器输出方波交流电时，其控制较为简单，通过PIC16F877A 单片机的定时器T0 产生一定频率的PWM波，通过驱动电路驱动桥式逆变器即可，该频率可由程序设定。图7 为动力直流电源输入12VDC，逆变器输出频率设定为50Hz 的方波交流电。

图7 50Hz 方波交流电输出

■3.2 正弦交流电输出控制

3.2.1 SPWM 控制的基本原理

在控制理论中存在这样一个重要结论：冲量（即变量对时间的积分）相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，其效果基本相同[4]。基于以上理论，为了得到按正弦规律变化且和正弦波等效的输出波形响应，可以用若干个等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦波，其原理如图8 所示。

如图8(a)，将正弦半波分成N/2 个等份，这些脉冲的宽度相同，等于2π/N，但幅值不等，幅值按正弦波幅值的变化而变化。若用相同数量等幅不等宽的矩形脉冲代替上述的正弦波脉冲，并使矩形脉冲和正弦波脉冲的中点重叠、对应部分面积相等，就得到了按正弦规律变化的、与正弦波等效的波形，即SPWM 波形，如图8(b)所示。只要知道了正弦波的幅值、周期以及一个周期内的脉冲个数，就可以相应地计算出各个脉冲的时间间隔和宽度。

图8 SPWM 基本原理波形

3.2.2 SPWM 波的生成方法

SPWM 波常用的生成算法包括对称规则采样法、不对称规则采样法以及面积等效法等[5]。面积等效法是基于采样的冲量等效原理，用一系列等幅不等宽的脉冲（SPWM 波）代替等宽不等幅的正弦脉冲。设单相逆变器采用双极性调制方式，如图9 所示，任取一个PWM 周期内的一截正弦波，根据面积等效原理得：

图9 面积等效法

将（2）式代入（1）式求得正向脉冲宽度：

其中，Udc为动力直流电源电压，Um为正弦调制波的幅值，T 为正弦调制波的周期，TC为PWM 波的周期，ton为一个PWM 波周期内的正向导通时间（正向脉冲宽度），toff1+toff2为一个PWM波周期内的关断时间（负向脉冲宽度），N 为一个正弦周期的等份数。

3.2.3 正弦交流电输出控制

设定动力直流电源电压Udc及正弦调制波的幅值Um为12V DC，正弦调制波的周期T 为20ms，PWM 波的周期TC为200μs，将正弦调制波100 等份（即N=100），则连续输出100 个PWM 波刚好对应正弦调制波周期20ms。据前述面积等效法，可计算出100 等份PWM 波的占空比。

因PIC16F877A 单片机的占空比控制字为10 位，为便于操作，将占空比控制字低2 位固定设置为1，占空比控制字高8 位存放于寄存器CCPR1L 中，设置PIC16F877A 单片机定时器T2 的周期寄存器PR2 定时周期为200us。因8位寄存器CCPR1L 的最大值为255，需将计算所得按正弦规律变化的100 等份PWM 波的占空比换算至0-255 范围内，具体如表1 所示。

表1 100等份按正弦规律变化的占空比值

在程序中通过查表方式输出按正弦规律变化的SPWM波，再通过驱动电路驱动单相桥式逆变器，则可输出双极性调制的幅值为12V、频率为50Hz 的等效正弦交流电，其电压波形如图10 所示。12V 交流电再经12V/220V 工频变压器升压后，可得到幅值为220V、频率为50Hz 正弦交流电。

图10 双极性调制50Hz 等效正弦交流电压波形

4 结语

本文设计并制作了一个实用的单相逆变器，该逆变器采用模块化设计，每个模块均采用简单实用的电路构建，其主要用于逆变原理教学，制作成本较低，方便学生动手实践制作，学生通过动手搭建、调试逆变电路，可以更好地掌握逆变控制技术原理。为降低制作成本，该逆变器未设计电压及电流闭环，有需要时可在该电路基础上进一步完善相关功能。