单片机控制的简易单相逆变电源

    摘要：文章介绍了用AT89C1051单片机控制的单相逆变器电源的设计文字，该方案通过消谐PWM控制可使逆变电源的输出谐波明显减少，并经小容量的高通滤波后即可得到高质量的正弦波电压输出。该电源通过单相电机的运行试验证明，效果良好，而且结构简单、成本低廉、性能稳定可靠，具有一定的实用价值。

    关键词：逆变电源 消谐控制 单片机 AT89C1051

1 概述

消除输出电压谐波是逆变电源PWM控制的主要目的之一。在此方面，单相逆变电源的结构较三相电源简单，PWM控制也更为方便，因而在单片机的控制下实现PWM的调节策略十分有效。然而，从控制系统的结构和硬件成本方面应考虑采用什么控制算法才能使逆变电源的性能价格比最优。在众多的PWM控制策略中，人们已普遍认为消谐PWM控制器是一种最佳的控制策略[1]。为了使控制电路尽可能地简化，本文给出了利用AT89C1051小型单片机的内部资源，通过离线消谐PWM控制，来实现单相逆变电源的PWM调制，以有效降低输出电压谐波的一种简易的单相逆变电源解决方案。

2 消谐PWM控制方程

消谐PWM控制方程是根据逆变器输出PWM波形的富氏级数得到的[2]。设逆变电源输出PWM波形在四分之一周期内有N个开关切换点，每个开关切换点对应的相位角分别为：α（i=1,2,…，N），且有0≤α1α2<…<αN≤90°，则在单相极性PWM控制条件下，有：

    如果逆变器输出基波电压幅值与输入直流母线电压的比为M，则消谐方程为：

    令，则上式可写成如下形式：

    求解上述方程即可得到一组开关切换角，如将此切换角转化为单片机的定时计数脉冲数据表保存在程序存储器中，便可供实时控制时查询。若用此开关数据在单片机中作定时控制，则输出电压中不含前2N-1次低阶谐波。

3 逆变电源及其控制系统

本逆变电源系统的结构原理如图1所示。单相交流电源经过EMI线滤波器后，再经单相桥式整流和大电容滤波后可在直流母线上获得稳定的直流电压。该直流电压在单片机的控制下，经过单片桥式逆变电路逆变后，可输出略含谐波的交流电。由于本设计采用消谐控制，因而其低阶谐波值为0，且只存在高次谐波分量，这样，在经过一级小容量的LC滤波网络后，即可在输出端获得较为理想的正弦波输出电压。

以单片机为主的控制系统主要用来产生逆变电路开关器件的驱动信号，并通过对线路电压和电流的实时采样来实现调节和保护。单片机则根据输出频率代码指令来确定应选择的消谐PWM控制数据，并按此规定的PWM控制数据实现内部定时控制，同时对开关器件进行切换以实现消谐控制。另外，该控制系统还可实时监视直流母线电压和电流的大小以实现过压、欠压、过流、短路等保护。一旦发生故障，系统立即封锁逆变电路的驱动信号而使逆变电源停止工作。

4 控制软件的设计

该逆变电源控制系统以AT89C1051为主控制芯片，它是一个20脚的小型CPU，有15根I/O线、1个16位定时器、1k×64bit存储器，是一种成本低、集成度高的MCU芯片。本文利用其P1口的P1.0～P1.3作为驱动信号输出端，分别用于驱动逆变电路的1～4号MOSFET开关管。P1.4的输出经反相后作为驱动封锁信号，当CPU在初始复位状态时，由于P1口为高电平，因而驱动信号被封锁，这样就避免了四个驱动信号出现全“1”使开关管全导通而导对致的短路故障。为了简化控制系统，本文在电路上只对直流母线电压和电流进行监控。当电压或电流超过阈值时，系统立刻发出故障信号。并对此故障信号（过压、欠压、过流）进行逻辑与运算后，送CPU的外部中断请求引脚INT0以向单片机发生中断申请，同时该信号再由P1.5～P1.7输入单片机以便于单片机查询故障类型。

    逆变电源控制软件由主程序、定时器T0中断服务程序和外部中断服务程序三部分组成，在主程序中初始化单片机的工作方式，并采样逆变电源输出频率指令。当频率发生变化时，置频率变化标志，以便于定时器中断服务程序能够按新的开关切换角数据进行定时并实现驱动信号的切换。定时器T0中断服务程序主要完成对开关切换角数据的定时及其相应驱动信号的输出，以完成消谐PWM控制。外部中断服务程序主要负责处理逆变电源的故障保护，当故障中断请求发生时，单片机响应中断并再次查询是否确有故障发生，若确有故障，则封锁驱动信号，并输出故障代码。整个控制软件流程如图2所示。

5 逆变电源的试验结果

笔者按照上述设计思想研制了一台小型逆变电源装置，并用来驱动150W/220V单相电机，其结果十分满意。另外，笔者还利用TDS220数字示波器记录了该单相逆变电源在50Hz条件下同开关角个数时的电流波形。结果发现：开关角个数较少时，电流脉动较大，相应地谐波含量也大；当开关角个数增加时，电流脉动减小，波形质量得到明显改善。由此可见，该方法设计的逆变电源具有良好的输出波形质量。

6 结论

通过上述分析与试验，笔者认为：本文提出的用AT89C1051单片机实现单相逆变电源的消谐PWM控制方法是完全可行的。它不仅具有较为简单的电路结构和控制过程，而且所需的单片机资源很少。它仅通过消除低阶谐波和小容量的高通滤波器即可在逆变电源的输出端获得较为理想的正弦波电压，是一种切实可行的单相逆变电源实现方案。