一种基于单片机的变频电源设计

董嘉雪 辛平 程明

摘   要：电源正朝着高效率，高稳定度，高功率密度，低污染，模块化发展。为了满足输出电压和频率可变的逆变电源的基本指标，调制方式上各种新颖的调制技术不断涌现，控制上各种适合于不同要求的逆变器的控制方案被提了出来。本设计是基于SPWM逆变技术，将由单片机产生的SPWM波输出作为绝缘栅双极晶闸管的驱动信号，最后通过低通滤波，从而在输出端得到一个无失真的正弦信号波形。本文设计了一种交流电力频率转换器（AFC），提高交直流转换器与无功功率控制，其超前相位补偿原理是导致减少当前控制回路的给定线频率带宽的要求。由于这些特性，可使用相对减缓转换功率等设备，因此它可以用于高电平交流线频率。

关键词：变频电源  IGBT  SPWM调制  单片机

中图分类号：TM91                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）05（b）-0058-02

国内的变频电源有程控型和模拟型，二者均采取SPWM技术，SPWM电路均是在一定条件下选取硬件实现及全控桥逆变电路搭建而成;而异同点是程控型实则是模、数混合系统人机对话，此混合模式能更加利于把数据传送与上位机微机，但当编写程序不当，或不合理的工艺布局，都相对其他易于产生机体死机并复位现象。而模拟型则全是由硬件匹配实现的，是由控制以及调制电压，频率的旋钮设置产生。从国内市场来看除了上述两种外，还有一种是在一定条件下选取线性放大技术，并且此类电源市场占有率相比较而言较小，且功率只能输出为几千瓦。随着世界新兴技术迅速的发展，电源技术等很多学科领域都紧密相连。在现代通信，电子仪器，计算机，工业自动化，电力工程，国防以及某些的高新技术中发挥着相对于而言更加重要的作用。现如今大多数的高新技术同电源的电压，电流，频率，相角以等参数控制及变换紧密相连，由此电源技术的实现，对于控制以及高效率的处理形式的参数来说更加精确，特别是在电能频率转换过程中实现大功率，故为多项的创新型技术提供更为广阔的前景。

1  系统组成及单元电路设计

变频器电源的系统结构原理图，如图1所示。主电路通入20V的电源，绝缘栅双极晶闸管驱动电路通入15V电源，此时PWM发生器接入9V电源后，输出的电压途经低通滤波，由直流母线侧能得到相对稳定的直流电压值。再由PWM发生电路中，通过调节滑动电阻器，使其电压可调，通过调节步长的增量，可调节频率的大小后，输出的直流电压，途经直交流的逆变后，再由绝缘栅双极晶闸管的驱动与保护电路所送出的信号输出，在途经一级小容量相对较小的滤波网络后，即可在输出端用示波器测得，相对而言理想的正弦波。且在电压采集的数码管中，输出电压值。

在PWM发生电路中以MCS51单片机为主体的逆变电路，途经绝缘栅双极晶闸管所获取的驱动信号，以及直流母线侧的电压采样采用STC2052AD单片机编程，同一时间加以监测并显示直流母线侧电压值，使整个系统更加方便用户的操作。

1.1 驱动与保护电路设计

本设计由15V的电源控制供電的电路，驱动的信号SPWM正弦波由（2）输入。将单片机的输出脉冲功率放大以此为驱动电路的作用，以驱使绝缘栅双极晶闸管，保证绝缘栅双极晶闸管稳定工作。绝缘栅双极晶闸管的驱动保护电路，如图2所示。

1.2 STC89C51单片机软件流程

SPWM的产生是用 STC89C51单片机编程之后途经DAC0832D/A转换集成芯片，Im358放大电路以及稳压电路实现，根据SPWM每等份面积不同，在重新加载时给与不同的定时时间，从而实现按正弦规律变化的SPWM输出再由DAC0832模数转化，途经Im358放大电路，稳压电源之后输出SPWM波。软件流程图，如图3所示。

2  测试结果

本设计是基于基于绝缘栅双极晶闸管的变频电源，其以PWM脉冲发生装置及绝缘栅双极晶闸管的驱动电路为主要设计部分。因为在测试时还需要15V直流电源、20V直流电源、信号接地以及电源接地。当波形发生器的频率分别为1k，100k时，经低通滤波器，驱动电路放大，以及电压采集信号后所获取得到的方波波形。其中，1k频率下的输出波形，如图4所示。100k频率下的正弦波输出波形，如图5所示。

脉冲发生装置产生的脉冲为矩形波，并且占空比可调，符合预期的要求。对驱动电路的测试可以看出整个过程中绝缘栅双极晶闸管的工作正常，并且脉冲信号可以控制绝缘栅双极晶闸管的关断。进一步说明了本设计的成功性。

3  结语

本文综合了电力电子技术、半导体技术微机控制技术等多项基础理论技术，设计了一款能利用单片机实现对脉冲的占空比可调的智能控制开关电源。通过键盘预置电压控制单片机，进行脉宽调制，使输出电压在大范围内可调。与传统线性电源相比，这种电源的效率更高，同时电源的体积和重量也减小了很多。由于电源中有智能控制元件应用，不仅提高了系统的可靠性，还使电源有更好的操作性，并且更容易升级。

参考文献

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