基于MSP430單片機的單相正弦波逆變電源設計

　　引言

　　要求實(shí)現單項正弦波逆變電源，輸入直流15V，輸出交流電壓有效值10V，功率10W，且頻率20至100Hz步進(jìn)可調，要求波形無(wú)明顯失真，負載調整率小于1%，效率盡可能高，系統要具備過(guò)流保護以及自恢復功能。由于輸出功率較小，為了提高系統的效率，我們采用TI提供的MSP430系列超低功耗微控制器來(lái)產(chǎn)生SPWM波，配合TI超低導通電阻和快速導通MOSFET，在MOSFET的驅動(dòng)上使用TI開(kāi)發(fā)的高驅動(dòng)能力半橋驅動(dòng)芯片UCC27211。系統簡(jiǎn)潔明了，以最簡(jiǎn)單的方法實(shí)現了所有的功能，且利用矩陣按鍵和LCD顯示設備為用戶(hù)提供了良好的交互界面。以下將集中講述系統的大體框架和具體的實(shí)現方法。

　　1 系統方案

　　設Ud為直流輸入電壓，Uo為輸出電壓。輸出電壓Uo的展開(kāi)傅里葉級數為

　　考慮到系統效率，不需要進(jìn)行boost升壓，可以直接逆變。故本系統結構圖如圖1所示。SPWM信號控制硬件全橋電路，然后經(jīng)過(guò)LC濾波電路可以得到正弦波。以MSP430單片機為核心的數字控制系統需要采樣電流量、控制硬件電路系統以及形成良好的人際交互界面。

　　1.1 硬件電路設計

　　全橋逆變和LC濾波電路如圖2所示。L_PWM和H_PWM由43O單片機產(chǎn)生經(jīng)過(guò)6N137隔離進(jìn)入MOS驅動(dòng)芯片UCC27211驅動(dòng)全橋，后級LC濾波器的截止頻率為

　　可以濾除載波頻率?？紤]到MOS管需要相對較小的導通電阻RDS(on)和較小上升時(shí)間和下降時(shí)間的，本系統選用CSD19506。本系統需要驅動(dòng)全橋，為了提高M(jìn)OSFET的導通速度，降低開(kāi)關(guān)損耗，因而選用TI提供的高速半橋驅動(dòng)芯片UCC27211。圖2是全橋部分電路圖。

　　1.2 系統軟件設計

　　軟件結構框圖如圖1，主程序框圖如圖3。程序執行的流程如下所述：?jiǎn)纹瑱C上電之后，系統進(jìn)行按鍵、片上ADC12和LCD顯示屏初始化，程序查詢(xún)按鍵，若有相應按鍵按下，修改正弦波頻率，然后AD采樣電流判斷是否過(guò)流；否則返回繼續查詢(xún)按鍵。如果輸出過(guò)流，程序將關(guān)閉SPWM輸出，延時(shí)自恢復；否則返回按鍵查詢(xún)。

　　2 技術(shù)細節

　　2.1 SPWM波的產(chǎn)生

　　本系統采用自然采樣法產(chǎn)生SPWM波，以正弦波為調制波，等腰三角波為載波進(jìn)行比較，在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷。其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性，脈沖中心在一個(gè)周期內不等距，從而脈寬表達式是一個(gè)超越方程，若采用實(shí)時(shí)計算的方式得到SPWM波的話(huà)，計算繁瑣，非MSP430所能勝任。本系統充分利用MSP430的定時(shí)器，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的DDS；讓其計數器作增減計數構成三角波載波，再把正弦波表作為數組預先存入MSP430中，我們只需在定時(shí)器中斷中更新比較寄存器數值即可得到調制正弦波。由于MSP430定時(shí)器自帶比較功能，兩者比較即可得到SPWM波輸出，繼而撇開(kāi)了繁瑣的超越方程求解。最終我們利用此方法得到的SPWM波濾波后的正弦波失真度達到了0.5%。圖4是自然采樣原理圖。

　　2.2 效率提高

　　影響逆變電源效率的因素有很多，比如系統的靜態(tài)損耗，輔助電源效率過(guò)低，構成全橋的MOSFET帶來(lái)的導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗過(guò)大以及橋路順時(shí)同時(shí)導通帶來(lái)的損耗等，針對這些問(wèn)題，我們逐一提出了改善的方法。對于系統的靜態(tài)損耗，我們采用TI的低靜態(tài)電流芯片和超低功耗單片機作為系統主控芯片，另外為了降低輔助電源帶來(lái)的損耗，我們采用開(kāi)關(guān)電源作為系統的輔助電源，最大限度的提高輔助電源的效率；TI最新開(kāi)發(fā)的超低導通電阻MOSFET有助于減少逆變電源開(kāi)關(guān)管的導通損耗，另外其超快的導通速度配合SPWM波死區時(shí)間的設定使得全橋的開(kāi)關(guān)損耗大幅度降低。以上措施使得系統在滿(mǎn)載時(shí)效率高達90%以上。

　　2.3 輸出電壓PID調節

　　由于輸入電壓隨著(zhù)負載變大會(huì )有降低，切系統濾波電感具有電阻成分，這些因素導致在系統開(kāi)環(huán)下負載調整率較大，因此本系統采用閉環(huán)反饋調整輸出電壓穩定在10V。我們選用經(jīng)典PID反饋調整，對輸出電壓進(jìn)行采樣，與參考電壓比較得到誤差電壓后進(jìn)行位移式PID調節，PID運算輸出作為SPWM的調制度K，與正弦波表相乘后形成新的波表進(jìn)行生成SPWM波運算。用此方法后負載調整率降到了1%以下，圖5是反饋過(guò)程框圖。

　　2.4 輸入電流前饋實(shí)現過(guò)流保護

　　由于輸出電流是交流，且與系統不共地，為了不增加系統的復雜度，本系統并沒(méi)有直接測量輸出電流來(lái)實(shí)現過(guò)流保護，而是測量系統的輸入電流，由于實(shí)際中輸入輸出滿(mǎn)足Pout=Pin*η，而效率雖然隨著(zhù)負載的變化而變化，但是總體來(lái)說(shuō)相對穩定，故可以采用二次擬合得到效率隨輸入電流變化的關(guān)系式，這樣可得到輸出電流表達式：Iout=Uin*Iin*η/Uout，繼而實(shí)現輸出電流的監測。

　　3 逆變電源的應用前景

　　逆變電源具備以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)變頻，逆變電源能將市電轉換為用戶(hù)所需頻率的交流電。

　　(2)變相，逆變電源能將單相交流電轉轉為多相交流電，也能將多相交流電轉換為單向交流電。

　　(3)逆變電源能將直流電轉換為交流電，能將低質(zhì)量的市電轉換為高質(zhì)量的穩壓穩頻的交流電。

　　正是由于以上的這些優(yōu)點(diǎn)，使得逆變電源在生活中得到了廣泛的應用。就目前看來(lái)逆變電源已經(jīng)應用于航空，航海，電力，鐵路交通，郵電通信等諸多領(lǐng)域。而且隨著(zhù)大量研究的投入越來(lái)越多的領(lǐng)域都出現了逆變電源的身影。尤其是讓全世界都十分關(guān)注的能源問(wèn)題和環(huán)保問(wèn)題，逆變電源也正在被用于其中?，F今最典型的當屬太陽(yáng)能光伏逆變器了，它的應用使太陽(yáng)能發(fā)電直接并入電網(wǎng)成為了可能?？偠灾?，越來(lái)越多的新興領(lǐng)域都在逆變器的伴隨之下誕生，縱觀(guān)它的發(fā)展趨勢，我們不難知道其應用前景一片大好。