基于PIC單片機(jī)的逆變電路設(shè)計(jì)初探

常用的正弦調(diào)制法分為同步調(diào)制法和異步調(diào)制法。同步調(diào)制法在調(diào)制波的頻率很低時(shí)，容易產(chǎn)生不易濾掉的諧波，而當(dāng)調(diào)制波頻率過高時(shí)，開關(guān)元件又難以承受;異步調(diào)制法的輸出波形對稱性差，脈沖相位和個(gè)數(shù)不固定。本軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用了分段同步調(diào)制法，[4-6]吸收上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，且很好地克服各自的缺點(diǎn)，得到特性較好的正弦波。其具體操作為：把調(diào)制波頻率分為幾個(gè)載波比不相同的頻段，在各個(gè)頻段內(nèi)保持載波比恒定，通過配置單片機(jī)內(nèi)部的載波頻率實(shí)現(xiàn)輸出基波頻率的變化，即改變計(jì)數(shù)器的TOP值，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能。選取的原則為：

輸出頻率高的頻段采用低載波比，輸出頻率低的頻段采用高載波比。同時(shí)，載波比選取為3的倍數(shù)以得到嚴(yán)格對稱的雙極性SPWM信號。本系統(tǒng)中將頻段分成五段，具體見表1:

表1 頻率分段與載波比取值

對輸出電壓的實(shí)時(shí)反饋是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。電網(wǎng)的波動或是負(fù)載的變化可能導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定，因此為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓的動態(tài)穩(wěn)定特性，在系統(tǒng)中加入PID增量數(shù)字閉環(huán)控制，公式如下：

其中Kp=1/σ是比例系數(shù)，Kl=KpT/Tl是積分系數(shù)，Kl=KpTD/T是微分系數(shù)。結(jié)合單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換功能模塊與PID閉環(huán)控制，可以很好地修正各開關(guān)周期的脈寬，達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定的目的。

四、逆變仿真結(jié)果

在逆變部分的仿真中，本系統(tǒng)使用的是M AT L A B中的SIMULINK組件。電路原理為利用PIC16F873單片機(jī)輸出PWM波控制IR2136進(jìn)而控制晶閘管的柵極導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)幅。

在此三相逆變電路中，運(yùn)用三相全橋進(jìn)行LC濾波之后得到輸出。同時(shí)，該系統(tǒng)中還包括一個(gè)電壓負(fù)反饋和一個(gè)電流負(fù)反饋系統(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)可以對一些擾動起到一定的抵抗作用，使得輸出的三相電壓較為穩(wěn)定，有較好的相角裕度和一定的幅值裕度，但在實(shí)際的逆變過程中可能出現(xiàn)同一橋臂的兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通所導(dǎo)致的短路現(xiàn)象。考慮上述情況后，對上述電路原理圖進(jìn)行了改進(jìn)，如下圖3所示，加入了死區(qū)，其仿真結(jié)果如圖4所示：

圖3 帶死區(qū)的調(diào)制波、三角波調(diào)制電路

圖4 帶死區(qū)的調(diào)制波、三角波調(diào)制電路波形

在圖4中波形在下波峰處發(fā)生畸變，這是由于在下橋臂上引入了死區(qū)非線性所導(dǎo)致的結(jié)果，屬于附加畸變。

五、結(jié)論

上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工業(yè)條件下對于電源的要求可通過利用PIC16F873單片機(jī)輸出PWM波控制IR2136進(jìn)而控制晶閘管的柵極導(dǎo)通的方法實(shí)現(xiàn)，且該方法具有諧波較小、濾波電路較為簡單的優(yōu)點(diǎn)。因此，它在高性能中變頻調(diào)速、直流并網(wǎng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，采用單片機(jī)來產(chǎn)生SPWM信號有著不可比擬的優(yōu)勢，是智能化電源領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢。