基于单片机的小功率逆变器的设计与实现

摘要：为了提高逆变器的整体性能，以STC12C5A60S单片机为核心，设计并实现了一个小功率逆变器。通过单片机直接产生脉宽调制波，控制功率开关器件组成的桥电路实现逆变。根据单片机对外部电位器上电压的采样值对输出电压的幅值进行控制，使得输出电压幅度可调。采用数／模电路结合设计，使得逆变器的体积大大减小。硬件上的功能模块化设计，使整个系统的检测性和操控性大大加强。该逆变器电路简单，工作稳定可靠，且易于升级，具有较大的推广应用价值。
关键词：逆变器；单片机；脉宽调制；功率开关器

0 引言
    逆变器是将汽流电能变换成交流电能的电气装置，通常用大功率高反压电力电子器件来实现。太阳能发电中，光电池阵列所发出的电为直流电。但是，大多数用电设备的供电为交流电，所以电力系统中常需要将直流电变换成交流电的逆变器。此外，逆变器在工业控制，通信、交通等领域的应用也非常广泛。正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)，是指以正弦波做调制波(Modulating Wa ve)，以F倍于正弦调制波频率的三角波做载波(Carrier Wave)，进行波形比较后产生一组幅值相等、宽度正比于正弦调制波的矩形脉冲序列，来等效正弦调制波。本文以STC12C5A60S单片机为核心，利用其内部两路可编程计数阵列(PCA)模块来模拟脉宽调制法，设计并实现了一个输出电压幅值可调的小型逆变器。

1 系统硬件设计
    本文使用AltiumDesigner6．9完成硬件电路原理图和PCB图的设计。图1是该设计的总体电路结构图。

     该设计实现的功能是将6 V的直流电通过三级功率变换(DC-HFAC-DC-LFAC)得到频率为50 Hz，幅度为110 V的工频交流电以供交流负载使用。现将硬件电路各部分的具体设计和功能作如下描述。
1．1 电源模块
    使用直流到直流变换芯片MC34063与LM7805和LM7812组合得到12 V和5 V的直流电，为硬件电路的各模块提供所需电源。
1．2 前级升压模块
    通过SG3525芯片与其外围电路产生两路互补的高频PWM(Pulse Width Modulation)脉冲波，用这两路高频脉冲波分别控制由两个MOS(IRF 3205)管组成的单边桥高频逆变器，并与高频变压一起实现前级升压。通过前级升压，把6 V的直流电升到300 V左右的高频交流电，为后面的工频逆变做准备。
1．3 整流器与滤波模块
    4个二极管组成整流桥电路对前级升压模块输出的高频交流电进整流，并且经过LC滤波器进行滤波作为工频逆变桥电路的输入。
1．4 工频逆变器MOS桥电路驱动模块
    该设计中驱动工频逆变器桥的4个MOS管使用IR2110芯片来完成。单片机产生的两路SPWM控制信号经过死区时间后作为2片IR2110的逻辑输入。用2片IR2110芯片组成的驱动电路输出4路两两互补的信号，从而控制全桥逆变电路的上、下桥臂的通断，实现逆变功能。[!--empirenews.page--]
1．5 SPWM产生模块
    以STC12C5A60S单片机为核心构建的最小系统，作为模块的控制部分。同时增加一个模／数转换电路，通过读取电位器上的电压值，实现逆变器输出幅值可调。两路SPWM信号由STC12C5A60S单片机PCA模块输出端P1．3口和P1．4口。其原理是用正弦表数据去设置STC12C5A60S单片机PCA模块的比较寄存器的值确来模拟脉宽调制法，最终获得宽度正比于正弦调制波的矩形脉冲序列来等效正弦调制波。产生两路SPWM波的原理如图2所示。

2 系统软件设计
    该设计的控制芯片是宏晶公司的STC12C5A60S单片机，它的内部有两路PCA模块。预先通过Matlab计算出标准的工频交流电的正弦表，以数组的形式存放在单片机内部扩展数据存储器中。然后利用这个数据表去动态地设置PCA模块比较寄存器的值，实现计数周期动态改变，输出的高电平脉冲宽度随正弦规则变化。

    主程序流程图如图3所示，PCA中断子程序流程图如图4所示。
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3 系统测试
3．1 SPWM波形产生模块测试
    以单片机为核心构成的SPWM波形产生模块通过程序控制运行后，可以得到两路互补的SPWM波形，如图5所示。用示波器截取了模块的单路SPWM几个细节片段图，如图6所示，脉宽是不断变化的。

3．2 整体的系统测试
    在输入端输入5 V的直流电，经过系统逆变以后，可以在系统的输出端得到有效值为110 V，频率为50 Hz的交流电。输出电压经示波器探头衰减10倍以后接入示波器，得到如图7所示图形。示波器的另一路输入是检测全桥电路的左上桥臂的SPWM波形，而另一路刚好对应右上桥臂。

4 结语
    该设计基于单片机控制的数／模混合电路的实现，使得整个硬件电路的体积大大减小。由于数字单片机的引入，可控性大大增强。