基于PIC单片机产生SPWM信号控制逆变桥的方法设计

来源：日期：2020-11-16

1 前言
随着信息技术的不断发展和计算机应用的日益普及，高新技术设备对供电质量的要求越来越高，很多设备都要求电源能够持续提供恒频恒压、无崎变的纯正弦波交流电，不间断电源UPS就是用来给这些设备供电的。UPS一般采用正弦脉宽调制（SPWM）的控制方法将直流电逆变成正弦波交流电。目前，SPWM控制波形的产生一般有三种方式：1、用分立元件电路产生，主要由三角波发生器、正弦波发生器和比较器组成。分立元件电路复杂，调试困难，成本高，可靠性差，因此一般很少采用。2、用专用集成芯片产生，专用集成芯片功能强大，输出波形质量高，应用比较广泛。3、用单片机实现，现在许多单片机都具有产生SPWM波的功能，采用单片机可使电路简单可靠，而且还方便对系统其他数据参数的监控、显示和处理，使整个系统的控制非常的方便。本文就是采用PIC16F73单片机产生SPWM波来控制UPS电源中的逆变系统的。
2 硬件电路设计
系统总体硬件框图所示：电网输入交流电经整流滤波电路后，变成直流电压，送入功率因数校正模块（PFC），进行功率因数校正，并同时进行直流电压调整，升压到360V。另一方面，蓄电池输出的48V直流电压经过蓄电池升压电路后得到345V的直流高压，这两路直流高压通过二极管并联起来，供给桥式逆变电路。正常工作时，由市电整流所得直流给逆变器供电，而当市电异常时，则自动切换到蓄电池供电。直流电经过桥式逆变电路逆变后，再经输出滤波变成220V、50Hz纯正弦波交流电，供给负载。
基于PIC单片机产生SPWM信号控制逆变桥的方法设计控制电路以 MicroChip公司的PIC16F73单片机为。PIC单片机是采用RISC结构的高性价比嵌入式控制器，采取数据总线和地址总线分离的Harvard双总线结构，具有很高的流水处理速度。
PIC16F73时钟频率为20MHZ，每条指令执行周期200ns，由于大多数指令执行时间为一个周期，因此速度相当快。其内含192字节的RAM ，4K程序存储器、5路A/D转换及2路PWM波发生器，应用时外围电路极其简单，是理想的单相逆变电源数字控制器。
单片机通过内部软件产生一路SPWM控制信号，然后经过逻辑门变换电路变换成逆变全桥所需的四路驱动信号，再经专用驱动芯片TLP250隔离放大后，分别加到逆变全桥四个IGBT的栅极，进行驱动控制。
为了提高输出电压的稳定性，本系统中采用了电压反馈闭环。输出电压经电阻分压取样后，由运算放大电路将电平转换为单片机A/D转换口所能接受的0～5V电压信号，送入单片机A/D转换口。软件在运行过程中，会每隔一段时间进行A/D转换，得到反馈电压值，调整SPWM信号的脉宽，保证输出电压的稳定。
3 软件设计
PIC16F73单片机内部含有两个CCP模块，都可以用来产生PWM波。对于PWM信号来说，周期和脉宽是两个必不可少的参数，PIC16F73单片机将PWM周期储存在PR2寄存器中，而将PWM信号高电平时间值即脉宽值储存在CCPR1L或CCPR2L寄存器中。内部定时器在计数过程中不断与这两个寄存器的值相比较，达到设定时间时输出电平产生相应的变化，从而控制PWM信号的周期和占空比。
SPWM信号要求脉宽按正弦规律变化，因此每一个PWM周期脉宽都要改变，由单片机产生SPWM波的基本思想就是在初始化时将PWM周期值设定，然后用定时器定时，每个周期产生中断，来调整脉宽，从而得到脉宽不断变化的SPWM波。但实际上，SPWM频率一般都很高，周期很短，要在每一个周期内都完成脉宽的调整比较困难。本系统中，SPWM周期为20KHZ，设置每六个周期改变脉宽，实际输出SPWM信号经滤波后所得正弦波如图6所示，波形光滑无畸变，满足精度要求。
在软件设计中，将CCP2模块作为PWM输出口，CCP1模块采用比较功能，单片机时钟为20MHZ，计时步阶0.2us。首先建立正弦表，在一个完整正弦周期中，采样64个点，采样点正弦值与正弦波峰值的比值就是该点SPWM信号的占空比。然后根据SPWM周期计算出各点的脉宽值，转换成计时步阶，做成正弦表，供CCP1中断子程序调用。这64个点之间的时间间隔也转换成计时步阶储存到 CCPR1H和CCPR1L寄存器中，程序运行过程中，计数器TIMER1不断和这个寄存器的值相比较，达到设定值时CCP1产生中断，TIMER1重新计时。中断服务子程序用来修改SPWM信号的占空比，其流程所示。
主程序为一个无穷循环，等待中断发生。本程序中共用到了三个中断：CCP1比较中断，用来调整SPWM脉宽，中断周期为306us;T0定时中断，每隔一段固定的时间进行输出电压反馈采样值的A/D转换，在单片机初始化时，将T0的中断周期设为153us，产生中断后，将周期改为306us;A/D转换基于PIC单片机产生SPWM信号控制逆变桥的方法设计中断，A/D转换完成产生中断，处理转换值，中断周期为20us。在程序开始运行后，首先发生CCP1中断，使单片机按正弦表的个脉宽值输出SPWM波，153us后，产生T0中断，进行A/D转换，并将T0中断周期改306us。 20us后转换完成，产生A/D中断。然后又是CCP1中断，读取A/D转换值和正弦表来调整脉宽。这样周而复始，产生连续不断的SPWM控制信号。中断循环结构如图4所示。
由单片机CCP2口输出的SPWM波形所示，由于频率为20KHz，脉宽很窄，只截取了其中的一段，看不到脉宽从变到的过程，但可以看出这段波形中脉宽逐渐变窄，符合SPWM的变化规律。
经RC滤波后得到所示的正弦波，频率为49.6HZ，与设计的50HZ基本吻合，波形平滑无畸变，满足设计要求。
基于PIC单片机产生SPWM信号控制逆变桥的方法设计本UPS系统中，采用的是全桥逆变电路，控制方式是一个桥臂上的两个IGBT互补导通，另一桥臂的两个一个常开，一个常闭。负半波时，换到另一桥臂的两个IGBT互补导通，原桥臂变为一个常开，一个常闭。因此需要将单片机产生的一路SPWM信号变换成四路，分别驱动四个IGBT。具体实现电路如图7所示。
基于PIC单片机产生SPWM信号控制逆变桥的方法设计单片机输出的SPWM信号和正负半波信号分别加到U3D的12和13脚，此图只画出了同一个桥臂的两个IGBT的驱动波形产生电路，另一桥臂的产生电路与此电路完全相同，只是在输入的正负半波信号前加了一个反相电路，使得不论是正半波还是负半波，桥臂1和桥臂2的U3D的11脚总是一个为SPWM信号，另一个为低电平。经过后面的电路变换后，为SPWM信号的桥臂得到两路互补输出的SPWM波形，为低电平的桥臂则得到一个持续的高电平和一个持续的低电平，从而实现逆变全桥的驱动。
由于同一桥臂的两个IGBT互补导通，死区时间的设置是必不可少的，否则可能出现桥臂直通现象，导致器件甚至整个电损坏。图7中的R2、C2就是用来设定死区时间的，通过RC电路的冲放电得到基于PIC单片机产生SPWM信号控制逆变桥的方法设计一个时间的延迟，再经过门电路的处理加到SPWM信号波形中。通过改变R、C的大小就可以调整死区时间的长短，本电路中电阻取1000欧姆，电容取6.8nF，得到5us的死区时间。
通过电路变换得到的逆变桥的四路驱动波形如图8所示。IGBT驱动采用低电平有效，由图可以看出，在同一桥臂上下两个IGBT驱动波形中，从一个驱动波形的低电平变到另一个驱动波形低电平时，有一段两个信号都为高电平的时间，也就是两个IGBT都不通的死区时间，防止了逆变桥的直通。
5 结语
本文介绍的这种运用PIC单片机产生SPWM信号控制逆变桥的方法在UPS电源的应用中取得了较好的实验效果。同时，这种产生SPWM波的方法也可以用在其他正弦波逆变电源中。