用pic16f73单片机产生spwm波控制ups电源逆变系统解析方案

用pic16f73单片机产生spwm波控制ups电源逆变系统解析方案1引言随着信息技术的不断发展和计算用pic16f73单片机产生spwm波控制ups电源逆变系统解析方案1引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如图1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。控制电路以microchip公司的pic16f73单片机为核心。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最高时钟频率为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一次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，每个周期产生一次中断，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一次脉宽，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，其流程图如图2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一次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,产生一次中断后，将周期改为306us;a/d转换中断，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第一个脉宽值输出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。4实验结果及波形由单片机ccp2口输出的spwm波形如图5所示，由于频率为20khz，脉宽很窄，只截取了其中的一段，看不到脉宽从最小变到最大的过程，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滤波后得到如图6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。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。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。通过电路变换最后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。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如图1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。控制电路以microchip公司的pic16f73单片机为核心。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最高时钟频率为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一次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，每个周期产生一次中断，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一次脉宽，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，其流程图如图2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306