基于ATmega8 單片機(jī)控制的正弦波逆變電源

0引言

在風(fēng)電行業(yè)中，經(jīng)常需要在野外對風(fēng)機(jī)進(jìn)行維修，這時必須為各類維修工具和儀器進(jìn)行供電。因此，設(shè)計一種便攜式。低功耗。智能化的正弦逆變電源來為這些設(shè)備供電是十分必要的，可大大提高維修風(fēng)機(jī)的效率。

本文正是基于這種情況下而設(shè)計的一種基于單片機(jī)的智能化正弦逆變電源。

1正弦逆變電源的設(shè)計方案

本文所設(shè)計的逆變器是一種能夠?qū)C 12 V直流電轉(zhuǎn)換成220 V正弦交流電壓，并可以提供給一般電器使用的便攜式電源轉(zhuǎn)換器。目前，低壓小功率逆變電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。特別是在交通運(yùn)輸。野外測控作業(yè)。機(jī)電工程修理等無法直接使用市電之處，低壓小功率逆變電源便成為必備的工具之一，它只需要具有一塊功率足夠的電池與它連接，便能產(chǎn)生一般電器所需要的交流電壓。由于低壓小功率逆變電源所處的工作環(huán)境，都是在荒郊野外或環(huán)境惡劣。干擾多的地方，所以對它的設(shè)計要求就相對很高，因此它必須具備體積小。重量輕。成本低?？煽啃愿??？垢蓴_強(qiáng)。電氣性能好等特點(diǎn)。

針對這些特點(diǎn)和要求，研究一種簡單實(shí)用的正弦波逆變電源，以低價實(shí)惠而又簡單的元器件組成電路來滿足實(shí)際要求，定會受到市場的普遍歡迎。當(dāng)前，設(shè)計低功率逆變電源有多種方案，早期的設(shè)計方案是直接將直流電壓用雙開關(guān)管進(jìn)行控制，在50 Hz方波的作用下，產(chǎn)生220 V的方波逆變電壓。

但隨著用電設(shè)備對逆變電源性能的要求不斷的提高，方波逆變電源在多數(shù)場合已被淘汰，而正弦波逆變器的應(yīng)用已成為必然趨勢。現(xiàn)在，市場上低功率正弦波逆變電源的主要設(shè)計方案有3種。

1.1一次逆變的正弦波逆變電源

該方案也是將要逆變的直流電壓直接加到雙開關(guān)管上，然后采用數(shù)十倍于50 Hz的正弦化脈沖寬度調(diào)制脈沖串對開關(guān)管直接進(jìn)行驅(qū)動，之后對輸出的電壓實(shí)行“平滑”處理，進(jìn)而獲得類似于正弦波的連續(xù)變化的波形，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路一次逆變，高效而簡單。但變壓器過于笨重，沒辦法滿足體積小，重量輕的要求。

1.2多重逆變的正弦波逆變電源

該方案是將驅(qū)動開關(guān)管的50 Hz信號，分成若干相位不同而頻率相同的驅(qū)動信號，分別驅(qū)動各自的開關(guān)管，使得各自的輸出電壓也錯開一定的相位，然后再進(jìn)行疊加處理，輸出多階梯的階梯波再進(jìn)行濾波就能輸出所需的正弦波電壓。此種方案電路較為復(fù)雜，一旦有一組開關(guān)管失效，輸出的波形就有很大的失真。

1.3二次逆變的正弦波逆變電源

隨著高頻開關(guān)管技術(shù)的日趨成熟，逆變電源的電路設(shè)計趨向于先變壓，后變頻，即先將直流電壓轉(zhuǎn)為高頻交流電，再將高頻交流電轉(zhuǎn)換為50 Hz的正弦交流電源，其原理框圖如圖1所示。

由于開關(guān)管的價格低廉，因此組成圖1的單元電路性價比高，當(dāng)前市場上以此種設(shè)計方案來生產(chǎn)低功率逆變電源的居多。

2基于單片機(jī)控制的正弦波逆變電源

在以上列舉的三種逆變電源設(shè)計方案當(dāng)中，以二次逆變的正弦波逆變電源為佳。按照這種思路，早期的具體電路解決方案多采用PWM控制芯片如TL494，SG3524，SG3525A等，以固定的頻率去控制DC/DC和DC/AC部分的開關(guān)管，并采用修正電路對輸出的波形進(jìn)行修正，以期達(dá)到正弦波的要求。但這種純PWM芯片控制的電路，對于元件的老化。發(fā)熱。受到干擾等情況無法自動加以修正，或者修正能力差，往往使得在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)電路故障。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計人員不斷想將單片機(jī)引入到正弦逆變電源的控制當(dāng)中，但對于高頻部分的控制，低成本的單片機(jī)完成不了這個功能，高成本的單片機(jī)又會降低性價比，故本文提出了另外一種設(shè)計方案，就是采用低廉的ATmega8單片機(jī)，配合TL494，IR2110和開關(guān)管，構(gòu)成一個體積小，成本低，控制能力強(qiáng)的正弦波逆變電源，其方框圖如圖2所示。

由圖2可見，整個系統(tǒng)主要由ATmega8單片機(jī)進(jìn)行控制，TL494和IR2110是否工作，全由單片機(jī)根據(jù)反饋信號作出調(diào)整。高頻開關(guān)管及驅(qū)動輸出部分采用單相全橋逆變電路構(gòu)成。具體工作原理是采用ATmega8單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心，利用TL494能產(chǎn)生高頻PWM信號的功能，通過單片機(jī)對其脈沖寬度進(jìn)行控制并輸出，以控制高頻開關(guān)管組成的全相逆變電路，將低直流電壓逆變成為高壓方波，并通過整流濾波之后，送到驅(qū)動輸出全橋逆變電路，由單片機(jī)控制IR2110輸出工頻驅(qū)動信號，控制輸出驅(qū)動電路輸出50 Hz，220 V的正弦交流電壓。

3主要電路的具體設(shè)計

整個逆變系統(tǒng)的核心主要由單片機(jī)控制電路與檢測電路。DC/DC變換電路。DC/AC輸出電路組成。

3.1 DC/DC變換電路

如圖3所示，由TL494組成了高頻脈沖輸出電路，該電路采用了性能優(yōu)良的脈寬調(diào)制控制器TL494集成塊。該集成塊內(nèi)含+5 V基準(zhǔn)電源。誤差放大器，頻率可變鋸齒波振蕩器。PWM比較器。觸發(fā)器。輸出控制電路。輸出晶體管及死區(qū)時間控制電路等。該集成塊的第5~6腳分別外接了C1和R6組成了RC振蕩電路，可促使TL494輸出頻率為100引腳對圖中的DCDC端進(jìn)行控制。通過控制第4腳的死區(qū)時間控制端，可調(diào)節(jié)輸出信號的占空比在0~49%之間變化，從而控制輸出端Q1PWM~Q2PWM的輸出，而P端。VCC端和VFB端則分別接收來自負(fù)載，高頻逆變輸出電壓。輸入電壓的反饋信號，與TL494內(nèi)部的電路組成過壓。過載保護(hù)電路，形成逆變器的第一級安全保護(hù)網(wǎng)。