【正文】 智能化逆變電源研制及其 SPWM 波軟件生成 摘 要： 介紹了一種基于微處理器的中小功率逆變電源系統(tǒng)，討論了系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)和正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)波的生成和輸出穩(wěn)壓方案的設(shè)計(jì)，提出了一種軟件實(shí)現(xiàn) SPWM波的新方法 .實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)壓性能和很小的波形失真，說明該設(shè)計(jì)是有效的 . 關(guān)鍵詞： 逆變電源；不間斷電源；正弦脈寬調(diào)制；穩(wěn)壓 分類號： TM 91； TM 464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 10062467(2022)02027303 Development of Intelligent Inverter Supply and Generation of SPWM Wave by Software TAN Zhenghua HU Guangrui REN Xiaolin （ Dept. of Electronic Eng., Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai 202230, China） Abstract： The paper introduced an inverter supply system realized by singlechip processor and discussed the design of hardware and software, espe cially the generation of SPWM wave and the design of voltagestabilizing scheme . Furthermore it put forward a sort of new method realizing SPWM wave by softwar e. The experimental results show that the system has well performances in stabil ivolt and very minor wave distortion, and therefore, this design is effective. Key words： inverter supply。 uninterruptable power system (UPS)。 s inusoidal pulse width modulation (SPWM)。 voltagestabilizing▲ 逆變電源廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，不間斷電源 (UPS)更是對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不間斷地安全運(yùn)行起 著至關(guān)重要的作用 ［ 1］ .控制方式是其核心技術(shù)之一，主流方法是采用正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)控制 .一般地， SPWM波形是利用較高頻率的三角波與較低頻率的正弦波相比較而得到的 ［ 1， 2］ ，但其電 路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，而隨著微處理器性價(jià)比的不斷提高，逆變電源已進(jìn)入了智能化階段 .智能化逆變電源除了利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)基本功能外，還能夠： (1) 進(jìn)行在線監(jiān)控，自動顯示運(yùn)行參數(shù)； (2) 進(jìn)行故障自診斷，具有自動的過流、過壓、短路保護(hù)功能； (3) 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理等 .本文將最新單片機(jī)技術(shù)與 SPWM技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種用軟件產(chǎn)生 SPWM 波的方法，并通過改變調(diào)制深度 (即采用不同的脈寬組 )實(shí)現(xiàn)了良好的穩(wěn)壓控制 .在此基礎(chǔ)上，結(jié)合功率器件 IGBT高速大電流的特點(diǎn)研制出超音頻調(diào)制頻率的逆變電源 .系統(tǒng)能夠進(jìn)行自檢測，具有過流、 過壓、過熱和短路保護(hù) (報(bào)警并停止輸出 SPWM波 )等功能，自動穩(wěn)壓性能好、輸出波形失真小 .另外，利用 PIC單片機(jī)良好的串行通信能力，采用 RS485接口標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)通信，利用上位機(jī)對逆變電源進(jìn)行監(jiān)測，自動實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)轉(zhuǎn)換，顯示各種參數(shù)，使逆變電源實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控 . 1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 逆變電源研制的核心是 SPWM 波的生成，智能化的逆變電源利用高速單片機(jī)通過軟件來實(shí)現(xiàn) . 采用的 PIC系列單片機(jī)是由美國 Microchip公司推出的，業(yè)內(nèi)首次采用 RISC結(jié)構(gòu)的高性價(jià)比嵌 入式控制器，其總線結(jié)構(gòu)采取數(shù)據(jù)總線和指令線分 離的哈佛 (Harvard)結(jié)構(gòu)，具有很高的流 水處理速度，故其優(yōu)秀的性能近年來獲得越來越廣泛的應(yīng)用 .其中 PIC16C73 內(nèi)含 4 K程序存儲 器、 5路 A/D及 2路 PWM波發(fā)生器，使其外圍電路極其簡單，是理想的單相逆變電源數(shù)字控制器 .系統(tǒng)硬件框圖如圖 1所示 . 圖 1 智能化逆變電源的系統(tǒng)硬件框圖 The hardware diagram of intelligent inverter supply 在智能化逆變電源中，單片機(jī)對整個(gè)電源系統(tǒng)進(jìn)行控制 .首先，軟件產(chǎn)生兩個(gè)相位相差 180176。 的 SPWM波形，分別由兩個(gè)脈寬調(diào)制 (PWM)口輸出 (見圖 2).PWM PWM2各經(jīng)兩路高速光耦隔離輸出四路控制信號，再由驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為 18 V的 PWM波去驅(qū)動 4只 MOSFET的電壓驅(qū)動和超高速開關(guān)特性 ，又具有雙極性晶體管的大電流開關(guān)特性，是當(dāng)今主流的大功率高速開關(guān)器件之一 . 圖 2 兩個(gè)相位相差 180176。 的 SPWM波形 Two SPWM waves with 180176。 phase difference 因 為 SPWM波調(diào)制的逆變電源是采用輸入 DC的電壓值固定，而通過脈寬隨正弦規(guī)律變化的 SPWM 波控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與截止來實(shí)現(xiàn)交流輸出的，較之于小功率不間斷電源 (UPS)采用正弦波放大的方法具有效率高、體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)對驅(qū)動電路和開關(guān)器件也提出了較高的要求 .例如 10 kHz三角波調(diào)制 50 Hz正弦 (調(diào)制比為 200)， PWM波周期為 100 μs ，調(diào)制深度為 1時(shí)，最寬的脈沖為 100 μs ，而最窄的脈沖為 100 μssin(1/2360176。/200) = ，所以 10 kHz調(diào)制卻要求電源達(dá)到 600 kHz的響應(yīng)速度 .當(dāng)考慮穩(wěn)壓時(shí)將增加調(diào)制深度，從而使脈寬更窄 .設(shè)計(jì)中采用超音頻調(diào)制波 (16～ 20 kHz)，從而 SPWM 脈沖波的第一組諧波中心向高頻端遷移，遠(yuǎn)離基波頻率，使得輸出濾波網(wǎng)絡(luò)得以小型輕量化，且只有很小的噪聲，動態(tài)品質(zhì)也得以改善 ［ 2］ .調(diào)制頻率越高，所需的濾波電容、電感就越小，但驅(qū) 動脈寬也越窄 .為適應(yīng)高頻的要求，采用高速光耦，光耦輸出送至驅(qū)動電路，驅(qū)動部分采用 類似 EXB841的結(jié)構(gòu)，具有放大、過流保護(hù)等功能，是驅(qū)動 IGBT的理想電路 . 利用單片機(jī)內(nèi)置的 A/D輸入口進(jìn)行輸入電流、電壓 和輸出電流采樣，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、過流過 壓保護(hù)，并具有溫度采樣以控制風(fēng)扇，調(diào)整機(jī)內(nèi)溫度以免整機(jī)過熱 .另外，利用 PIC單片機(jī)串行通信接口 (SCI)模塊，依據(jù) RS485接口標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)通信，使逆變電源可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控 . 2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 當(dāng)今電源要求的是高質(zhì)量的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、無干擾和波形失真度小的 “ 全天候 ” 正弦波供電系 統(tǒng)，而其核心是 SPWM 波的生成和穩(wěn)壓方案的設(shè)計(jì)，這是逆變電源的基礎(chǔ)，也是程序設(shè)計(jì)的主要部分 . SPWM法是采用脈沖寬度和脈沖之間的間隔均不同的一組脈沖來等效正弦波 ［ 3， 4］ . 其基本思想 是能量等效法，即在一定的時(shí)間間隔內(nèi) SPWM 波的能量等效于正弦波所包含的能量 .由脈寬數(shù)據(jù)到 SPWM波的輸出可參照三角波和正弦波比較而獲得 SPWM波的方法主要有四種：非對稱自然采樣、對稱采樣、兩次采樣和中值采樣 .相應(yīng)地由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，誤差小的難度大、難度小的誤差大，這里設(shè)計(jì)一種生成 SPWM波的新方法，易于程序生成、誤差較小，實(shí)驗(yàn)表明效果很好 . 如圖 3所示，將 (0， 180176。) 區(qū)間內(nèi)的正弦波分成十等份，每份為 18176。 ，即區(qū)間中點(diǎn)的正弦值為參考，決定 SPWM 的脈寬 .如第一個(gè)脈沖的寬度W1=dTsin(18176。247。2 ) ，第二個(gè)脈沖的寬度 W2=dTsin(18176。+18176。247。2). 其中： d為調(diào)制深度； T=10247。10=1 ms(50 Hz 正弦，半個(gè)周期為 10 ms，再 10等份 )，即每等份的時(shí)長，也是 SPWM周 期 .程序?qū)崿F(xiàn) SPWM波時(shí)是采用定時(shí)器設(shè)定周期，在每個(gè)周期內(nèi)由 PWM發(fā)生器發(fā)出一個(gè)脈 沖 .由圖 3可知，脈沖并不是在每個(gè)周期開始便發(fā)出的，這給編程帶來一定的困難 .為此，程 序采用脈寬固定、周期改變的方式 .設(shè)第 n個(gè)和第 n1個(gè)脈沖寬度分別為 Wn和 Wn1， 若每次均由該脈沖上升沿至下一個(gè)脈沖的上升沿計(jì)為該脈沖 PWM周期， 則前后周期長度的差別為 (WnWn1)/2，即該脈沖 PWM周期為T(WnWn1)/ 73 具有兩個(gè)捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 (CCP)模塊，在脈寬調(diào)制模式下，可輸出高達(dá) 10位的脈寬調(diào)制波形，脈寬置入 CCPRIL 寄存器及 CCPICON〈 5∶4 〉 ,PWM 輸出周期則由 TMR2 的周期寄存器 PR2決定 .因而在編程時(shí)只需按上述方式改變 SPWM周期 (即定時(shí)器 2寄存器 PR2的值 )，而脈寬仍按表中查得的實(shí)際值，即可得圖 2中的 SPWM波 . 圖 3 SPWM 調(diào)制波與正弦波對照 Contrast between SPWM wave and sinusoidal wave 系統(tǒng)采用 16 MHz 晶振，指令周期為 250ns，最小預(yù)分頻時(shí)的最大 PWM周期為 64μs ，而對于 6 0 Hz的正弦波，調(diào)制頻率為 18 kHz的三 角波周期為 ，因而正好合適 .這時(shí)的頻率調(diào)制比 N=18 000/60=300，采用高調(diào)制頻率可以減小主回路的濾波電容、電感值，從而減小整機(jī)的體積和質(zhì)量 .SPWM 波的第 n個(gè)脈沖寬度值： 其中： n=1,2,? ， 75； f△ 為三角調(diào)制波頻率 . 由于 PIC系列單片機(jī)采用精簡指令集，不利于數(shù)值計(jì)算，但它有多條專為查表而設(shè)置的指令，因而采用離線計(jì)算 (C語言編程 )、在線查表取數(shù)的方法生成 SPWM 波 .因?yàn)?PWM波的正負(fù)半周對稱，所以可取 180176。 內(nèi)的脈寬值，而在 180176。 范圍內(nèi)前后 90176。 的脈寬值又互為對稱，實(shí)際只需計(jì)算 90176。 范圍內(nèi)的 300/4=75個(gè)脈寬值即可 .這樣數(shù)據(jù)存儲量減小為 1/4，大大節(jié)省了存儲空間 . 輸出交流的穩(wěn)壓功能也是通過程序查表取得不同的脈寬組而實(shí)現(xiàn)的，所以要達(dá)到良好的穩(wěn)壓 效果必須存儲大量的脈寬數(shù)據(jù)組，但單片機(jī)的EPROM空間是有限的，因而程序中采取了一些技巧 .即按 1%的電壓調(diào)整率存儲 25組數(shù)據(jù) (Wn:W76～ W100).再按 25% 的調(diào)整率存儲 3組數(shù)據(jù) (W25， W50，W75)，從而可實(shí)現(xiàn)從 1%～ 100%的 以 1%為電壓調(diào)整率的全范圍的穩(wěn)壓 .計(jì)算如下： 76%～ 100%： W=Wn 51%～ 75%： W=WnW25 26%～ 50%： W=WnW50 1%～ 25%： W=WnW75 利用有限的存儲空間實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制深度，如果需要還可以將電壓調(diào) 整率提高 %或 %等 .為了適應(yīng)輸 入電壓和負(fù)載的上下變化，讓逆變電源在額定工作狀態(tài)時(shí)，調(diào)制深度設(shè)置為 80%即可 . 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論 依據(jù)上面的分析，設(shè)計(jì)出 ～ kW 的系列電源，均取得良好的效果 .在額定輸出功率 P的 5%～ 95%范圍內(nèi)，輸出正弦波形失真度小于 5%(憑人的視覺感覺不到失真 )，完全空載和滿負(fù)荷時(shí)有一定的失真，整機(jī)穩(wěn)壓度可達(dá)到 177。2% ，測試數(shù)據(jù)表明所進(jìn)行的研究是有效的 .■ 作者簡介：譚政華 (1969～ )，男，講師 . 作者單位：譚政華（上海交通大學(xué) 電子工程系，上海 202230） 胡光銳（上海交通大學(xué) 電子工程 系，上海 202230） 任曉林（上海交通大學(xué) 電子工程系，上海 202230） 參考文獻(xiàn)： ［ 1］劉樹林，劉健， 嚴(yán)百平 .單相逆變器 SPWM控制的新方法［ J］ .電力電子技術(shù)， 1998， 32(4)： 96～ 98. ［ 2］吳保芳，羅文杰，姚國順，等 .通用型 IGBT變頻電源的研制［ J］ .電力電子技術(shù)， 19 98， 32(4)： 51～ 54. ［ 3］佟為明 .變頻電源諧波的分析與抑制［ J］ .電工技術(shù)雜志， 199 7(5)： 12～ 14. ［ 4］ Peeran S M,Cascadden C W ,design and specification of harmon ic filters for variable frequency drives［ J］ .IEEE Trans on Industry Application s,1995,31(4),841～ 847 機(jī)電一體化茶青超聲波清洗機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)袁海 .等 機(jī)電一體化茶青超聲波清洗機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā) Design and Development of Mechatronics Ultrasonic Tealeaves Cleaning Machine 衰 海 I 志 薪 (上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 202230) 摘要 :介紹了一種基于 PIC單片機(jī)控制的超聲波茶青清洗設(shè)備，給出了系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制電路和功率放大電路的設(shè) 計(jì)，并較詳細(xì)地闡述了幾種換能器的性能比較和控制器的工作原理及結(jié)構(gòu)，使其具有 (超聲波加氣泡發(fā)生器 )的恒功率清洗功能，滿足 了茶青表面雜質(zhì)清洗及去除農(nóng)殘的要求。經(jīng)試驗(yàn)證明 :超聲波清洗速度快、效果好、容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制，能保持恒定輸出功率，且可以 方便地調(diào)節(jié) 關(guān)鍵詞 :超聲波清洗茶青單片機(jī) 中圖分類號 :TN702 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A