基于SPWM的交流穩(wěn)壓電源設計

引言

　　隨著現(xiàn)代科學技術的進步，對供電質量越來越提出新的高要求，像手機基站、精密儀器、精密加工設備、雷達系統(tǒng)等對供電的質量提出了更高的要求，比如白熾燈輸出電壓改變約0.3%就會引起人們的不適感覺，而且?guī)⑻幚砥骺刂破骱碗娏﹄娮友b置的負載設備越來越多，這些設備對許多類型的電能質量擾動都很敏感。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓器因為其自身的缺點己經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)在的技術要求。

　　由于電力電子技術的快速發(fā)展，MOSFET 等大功率開關器件的成熟應用，逆變器技術以及PWM 技術都得到了極廣泛的應用。單片機等為控制提供了手段和方法，目前對交流電源所作的種種研究都為本課題打下了基礎。

　　本設計交流穩(wěn)壓電源的基本要求是：輸入電壓為交流24V；輸出電壓為交流36V；要求輸出有200mA的電流。本文基于逆變技術及PWM技術，采用SPWM控制方式從單片機最小系統(tǒng)設計、整流及電源電路、DC-DC 升壓電路、SPWM 轉換電路、H 橋驅動電路等幾個方面出發(fā)，設計了交流穩(wěn)壓電源的各個部分內容，同時通過電壓、頻率采樣電路、A/D 轉換電路、數(shù)碼管顯示電路等幾個方面的設計增加了系統(tǒng)的電壓、頻率顯示功能。設計了單片機及其外圍電路，并結合一套合理的程序算法，給出了一套交流穩(wěn)壓電源軟硬件解決方案。

　　1 SPWM 控制的基本原理

　　SPWM 法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM 法。SPWM 就是以采樣控制理論中的沖量等效原理為理論依據(jù)的（沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同）。用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM 波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

　　在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。如把各輸出波形用傅氏變換分析，則其低頻特性非常接近，僅在高頻段略有差異。這一結論是PWM控制的重要理論基礎。如圖1（a）所示，將正弦半波看成由N 個彼此相聯(lián)的脈沖組成的波形。這些脈沖寬度相等，但幅度不等，且脈沖的頂部為曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果將上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積相等，就得到圖1（b）所示的脈沖序列。像這種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的波形即為SPWM波形。

圖 1 PWM控制的基本原理圖

　　得到 SPWM的具體實現(xiàn)方法可以是用一個正弦調制波和一個等腰三角載波相交，由它們的交點確定逆變器的開關模式。如圖2 所示，正弦波大于三角波時，使相應的開關器件導通；當正弦波小于三角載波時，使相應的開關器件截止。

圖 2 SPWM控制的基本原理圖

　　2 系統(tǒng)的總體設計

　　本設計包括單片機最小系統(tǒng)、整流及電源電路、DC-DC 升壓電路、SPWM 轉換電路、H 橋逆變電路等幾個模塊，由于系統(tǒng)需要完成輸出電壓和頻率的檢測和顯示，因此需要設計電壓、頻率采樣電路、A/D 轉換電路、數(shù)碼管顯示電路等。系統(tǒng)的總體設計框圖如圖3 所示。

圖 3 系統(tǒng)總體設計框圖

　　圖 3 中，24V整流電路將系統(tǒng)輸入的24V交流電整流成直流，并送到DC-DC升壓電路升壓到51V（36V AC 的峰值）作為H 橋逆變電路的電源。SPWM 波形由單片機軟件產生，單片機還要輸出標志SPWM 正負半周的極性信號送給SPWM 轉換電路，SPWM 轉換電路接收單片機送來的SPWM 波形信號和正負半周極性信號。將兩個信號組合、處理、驅動H橋逆變電路。51V 的直流經(jīng)過H 橋逆變電路逆變和輸出濾波后輸出穩(wěn)定的交流36V。

　　系統(tǒng)的電壓、頻率顯示功能需要分別通過電壓采樣和頻率采樣電路采樣。其中電壓采樣取斬波前的峰值電壓經(jīng)過A/D 轉換電路轉換成數(shù)字量。A/D 轉換電路由單片機控制，單片機根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算得出輸出電壓的有效值。頻率采樣電路將系統(tǒng)輸出的電壓正弦波形轉換成方波，并送入單片機。單片機根據(jù)兩次上升沿的時間差，計算出波形的頻率。采集的電壓和頻率信號都要通過數(shù)碼管顯示電路顯示。

　　3 系統(tǒng)的硬件設計

　　3.1 PWM 控制芯片SG3525 介紹

　　系統(tǒng)采用 SG3525 來實現(xiàn)SPWM 控制信號的輸出，該芯片其引腳及內部框圖如圖4：

圖 4 SG3525 引腳和內部結構圖

直流電源s V 從腳15 接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產生穩(wěn)定的+5V 基準電壓。+5V 再送到內部（或外部）電路的其它元器件作為電源。振蕩器腳5 須外接電容T G 腳6 須外接電阻RT。振蕩器頻率f 由外接電阻 RT 和電容 CT 決定， f = 1.18/RT CT 。可以根據(jù)廠家的一個圖查出。如圖5：

圖5 SG3525 工作頻率確定曲線

3.2 系統(tǒng)原理圖

　　本系統(tǒng)設計的交流穩(wěn)壓電源的原理圖如圖6 所示，原理圖中包括了單片機最小系統(tǒng)設計、DC-DC升壓電路、SPWM轉換電路、H 橋驅動電路及頻率的采樣和顯示電路。

圖 6 系統(tǒng)原理圖

　　4 系統(tǒng)的軟件設計

　　4.1系統(tǒng)的軟件總體流程。

　　系統(tǒng)的SPWM 波形的產生通過定時/計數(shù)器T0 中斷服務程序來完成。其他功能的實現(xiàn)要通過主程序來完成。系統(tǒng)的主程序部分的總體流程如圖7 所示。

圖 7 系統(tǒng)的軟件總體流程

　　4.2 SPWM 波形的軟件算法

　　本設計采用定時/計數(shù)器0 來完成SPWM 波形的產生，工作模式設定為模式1。軟件流程圖如圖8所示。

圖 8 軟件產生SPWM波形程序流程

　　5 結語

　　本文采用 52 單片機及SG3525PWM 控制芯片等設計除了一款交流穩(wěn)壓電源，功能包括24V 電壓輸入，36V 電壓穩(wěn)定輸出，輸出電流為200mA，同時實現(xiàn)了電壓及頻率的顯示功能，并給出了各種功能的實現(xiàn)電路。該電源在實際工作中性能穩(wěn)定，安全可靠，在實際應用中得到檢驗。