??? 摘 要： 提出了一種基于PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)的三相正弦波" title="正弦波">正弦波變頻電源" title="變頻電源">變頻電源。樣機(jī)實(shí)踐證明，該電源切實(shí)可行、成本低廉，且具有輸出頻率可調(diào)、缺相保護(hù)、過流保護(hù)、不平衡保護(hù)等特點(diǎn)。
??? 關(guān)鍵詞： 單片機(jī)? 三相? PWM? 變頻
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??? 三相逆變控制" title="逆變控制">逆變控制常用的方式有三種：一是基于可編程邏輯器件的對(duì)稱規(guī)則采樣法，產(chǎn)生SPWM信號(hào)以實(shí)現(xiàn)逆變控制；二是利用DSP芯片產(chǎn)生SPWM信號(hào)以實(shí)現(xiàn)逆變控制；三是用專用芯片配合微處理器產(chǎn)生SPWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)逆變控制。上述三種方法有一個(gè)共同缺點(diǎn)，就是實(shí)現(xiàn)成本高。本文提出一種新的利用單路PWM實(shí)現(xiàn)三相逆變控制的設(shè)計(jì)方法，這種方法充分利用單片機(jī)的片內(nèi)資源，而且各種參數(shù)的取樣顯示和各種保護(hù)功能都盡可能利用軟件實(shí)現(xiàn)，大幅度節(jié)約了系統(tǒng)成本。
1 設(shè)計(jì)原理
??? 設(shè)以T為周期的周期信號(hào)v(t)為奇函數(shù)，即v(t±T)=-v(t);且v(t)為奇諧函數(shù)，即v(t±
)=-v(t)，其波形圖如圖1所示，則該信號(hào)傅里葉級(jí)數(shù)的an項(xiàng)為零，bn的偶數(shù)項(xiàng)亦為零。由圖1可知，脈沖波形前半周期的表達(dá)式為：
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??? 因此，v(t)的傅里葉級(jí)數(shù)為：
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所以v(t)僅含奇次諧波，其中，(2k+1)次諧波分量為：
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??? 由此可得各奇次諧波分量的幅值為：
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??? 從而可得周期信號(hào)v(t)的基波有效值為：
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??? 由上述分析可知，圖1信號(hào)中主要成份為基波，而高次諧波是五次、七次、十一次等，消除了對(duì)逆變輸出波形影響較大的３k次諧波，且各高次諧波的幅值相比基波幅值很小。故而只需設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)圖1所示的波形圖，再加上濾波器，濾除高次諧波，即可獲得正弦波。本文正是基于這一原理設(shè)計(jì)三相正弦波變頻電源。
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2 硬件設(shè)計(jì)
2．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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? 該系統(tǒng)的控制核心采用美國Microchip公司的PIC16F877A單片機(jī)，由單片機(jī)控制三相橋式逆變電路的工作狀態(tài)，單片機(jī)檢測輸出線電壓" title="線電壓">線電壓并調(diào)整三相橋式逆變電路以維持恒定的輸出線電壓；單片機(jī)檢測三路線電流，并由此判斷是否進(jìn)行過流保護(hù)、缺相保護(hù)、三相不平衡保護(hù)；通過鍵盤由單片機(jī)調(diào)整設(shè)定輸出正弦波的頻率，且由數(shù)碼管顯示當(dāng)前負(fù)載工作電壓、電流、頻率、功率等參數(shù)。
2．2電路設(shè)計(jì)
??? 整個(gè)系統(tǒng)硬件電路圖如圖3～圖5所示（圖中的器件參數(shù)均為輸出36V線電壓，1A電流而設(shè)計(jì)）。圖3中直流電源電路為各模塊供電。圖3中輸出電壓取樣電路由變壓器對(duì)輸出線電壓降壓后再整流、濾波實(shí)現(xiàn)，該電路產(chǎn)生信號(hào)送往單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)判斷并調(diào)整輸出電壓（調(diào)整PWM信號(hào)的占空比）。圖3中輸出電流取樣模塊（共三組）利用交流互感器感應(yīng)出輸出電流的千分之一，經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)換為交流電壓，再經(jīng)整流、濾波、放大后送入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)此輸入信號(hào)判斷輸出電流大小，并由此決定對(duì)電路是否進(jìn)行過流保護(hù)、缺相保護(hù)和不平衡保護(hù)等。
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??? 圖4是單片機(jī)電路。單片機(jī)判斷到電路工作異常后則控制逆變電源輸入保護(hù)控制電路，使其斷開繼電器，逆變電路輸出為0，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；圖4中單片機(jī)顯示電路顯示系統(tǒng)各種測量值，按鍵可設(shè)定逆變輸出電壓的頻率、顯示數(shù)值類型（如電流、電壓、頻率、功率）。
三相逆變控制是本硬件設(shè)計(jì)的核心電路。圖5是三相逆變控制電路。圖5(a)用來產(chǎn)生三相逆變控制電路圖5(b)六個(gè)晶體管所需的控制信號(hào)。G1、G3、G5控制信號(hào)產(chǎn)生原理一致，G2、G4、G6控制信號(hào)產(chǎn)生原理一致。G1控制過程如下：單片機(jī)RC2引腳產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)與門延時(shí)，在RC4的控制之下加到Q14，當(dāng)Q14基極為低電平時(shí)，Q14截止，Q24截止，Q26導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通，加在晶體管Q1的柵、源極的電位近似相等，Q1截止；當(dāng)Q14基極為高電平時(shí)，Q14導(dǎo)通，Q24導(dǎo)通，Q26截止，在電解電容C32的自舉下，加在晶體管Q1的柵、源極的電位差為12V，使Q1導(dǎo)通。G2控制過程如下：當(dāng)RC5為高電平時(shí)，Q17、Q23截止，Q18導(dǎo)通，晶體管Q2柵極為低電平，Q2截止；當(dāng)RC5為低電平時(shí)，Q17、Q23導(dǎo)通，Q18截止，晶體管Q2柵、源極電位差為12V，Q2導(dǎo)通。在單片機(jī)的控制下，可產(chǎn)生圖5(b)的Q1~Q6晶體管的時(shí)序信號(hào)波形，其具體時(shí)序波形如圖6中的G1~G6波形。
圖5(b)中的功率開關(guān)管為降低成本選用場效應(yīng)管，未用IGBT，同樣可獲得良好的控制效果。該電路采用2?仔/3導(dǎo)通方式，Q1～Q6在一周期內(nèi)有六種不同導(dǎo)電模式，如表1所示。其對(duì)應(yīng)的相電壓和線電壓波形如圖6所示。
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??? 六個(gè)開關(guān)功率管輸出的三相信號(hào)波形除基波外，還包含五次、七次等高次諧波。故而再加上圖5(c)，該電路是輸出隔離變壓器，具有扼流作用，可濾除部分高次諧波，在隔離變壓器輸出端可獲得失真較小的正弦波。
3 軟件設(shè)計(jì)
??? 本系統(tǒng)軟件采用散轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，所有控制量集中處理，并在RAM中建立各控制量的映射，以便各功能模塊的編程及修改。軟件主程序框圖如圖7所示。為節(jié)約篇幅略去中斷服務(wù)程序框圖、按鍵掃描顯示程序框圖、頻率設(shè)定模塊程序圖、保護(hù)處理模塊程序圖、正常工作模塊程序框圖。
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??? 為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在軟件上采取了諸多措施，如軟件冗余、軟件陷阱、看門狗等。
4 結(jié)果討論
??? 本設(shè)計(jì)的樣機(jī)測試結(jié)果如下：輸出相電壓、線電壓能隨輸入電壓（198～242V）的不同而自動(dòng)調(diào)節(jié)，各相絕對(duì)值誤差均小于5%，輸出頻率可在20~100Hz范圍內(nèi)預(yù)設(shè)或連續(xù)調(diào)整(步進(jìn)1Hz)，實(shí)際輸出頻率誤差小于0.2%，各相輸出正弦波失真度小于6％，各種保護(hù)和顯示功能正常。
??? 可見本設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的，只需稍加改進(jìn)便可應(yīng)用于三相UPS中。本設(shè)計(jì)有廣泛的推廣應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] ?張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.
[2] ?竇振中，汪立森.PIC系列單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.