Abstract：In this paper, implementation of a inverter circuit which performs sinusoidal pulse width modulation and protection with a cheap single chip computer (AT89C2051) is introduced. The overall design and principle of the inverter are presented which give new directions for the fabrication of small sinusoidal inverters.

Keyword：single chip computer digital sinusoidal inverter protection and control

1．引 言

　　逆变器有方波逆变器和正弦波逆变器两大类，方波逆变器虽然结构筒单，造价低廉，但是由于谐波太多，不适合感性、容性电路的工作，而市场上的正弦波逆变器的价格普遍较高，使一些用户难以接受，从而限制了它的推广和应用。本文主要介绍一种简单实用的正弦波逆变器。

　　正弦波脉冲调制是正弦波逆变器的关键，它们都需要一个正弦波发生器，利用它产生的正弦波和三角波（锯齿波）进行比较，实现正弦波调制。产生正弦波的方法和途径很多。通常应用的方法有模拟式和数字式两类，通过不同的多种方式去实现。如用带滤波电路和正反馈放大器构成的正弦波振荡发生器电路，这是最常用的经典电路，但调整较复杂，频率精度不高。还有用函数发生器等方法产生正弦波电路。用大规模专用集成电路和单片机构成的正弦波脉宽调制电路。采用EPROM和D/A转换产生参考正弦电压也是一种常用方法。用DSP高速数据处理器实现脉宽调制是最新的一种方法，由于引入了计算机技术，需要增加大量的软件开发和设计工作，尽管电路的复杂系数和成本都有所增加，但它确实是大容量逆变器的一种优良设计方法。

　　基于上述情况，我们研究设计了一种用廉价的单片机实现正弦脉冲调制、逆变、控制及保护的电路，使逆变器的结构更为简单，性能稳定可靠。

2．脉冲调制波的产生

2．1　脉冲调制波的产生原理

　　用模拟方式产生正弦波脉冲调制波，需要用硬件产生一个频率为50Hz的参考正弦波（或100HZ的正弦波半波）和一个与载波（调制）频率一致的三角波或锯齿波。通过正弦波和锯齿波的比较，产生一组脉冲宽度按正弦波规律变化的脉冲波。

　　本设计中电路输出的脉宽调制波是通过正弦能量计算的办法，只须计算出正弦波1/4周期，即0°～90°的正弦波内相应周期上的脉宽和脉冲间隔，再通过镜象法，获得一组正弦波半波（0°~180°）内的脉冲宽度和脉冲间隔。输出的正弦波与脉冲调制波的关系如图1所示。图中：N为50Hz正弦波半周期所含脉冲个数；Um为正弦波波峰电压；T——正弦波周期，频率为50Hz时，T=0.02秒；αN为第N个脉冲对应的电度；

为第N个脉冲的宽度；γN为第N个脉冲与N+1个脉冲之间的的间隔。

图1　正弦脉冲调制能量等效图

图2　单片机部分程序流程图

　　根据正弦波能量等效法可得如下关系：

　　其中：
N=F/2f

　　f =50Hz为正弦波频率，F=12K为载波频率。因此可求得脉宽与输出正弦波的关系为：

　　余此类推。

　　输出脉冲的间隔为：

　　　　　　　　........

2．2　脉冲调制波的产生电路

　　脉冲调制波的产生电路如图3所示，该控制电路是以AT89C2051单片机为核心组成的逆变电路，该款单片机价格低廉，内置2K Flash ROM，2个定时器／计数器，以及丰富的I／O控制功能。在电路中，从单片机的P1.6和P1.7端分别输出相位相反，脉冲宽度为10毫秒(频率50Hz)的脉冲，它由单片机内部定时器产生，起控制正弦波逆变桥正半波或负半波导通的作用。P1.4和P1.5端输出相同的正弦调制脉冲，当P1.6有负脉冲输出时，P1.4才有输出，P1.7有负脉冲输出时，P1.5才有输出。调制脉冲的脉宽 是由上述公式所求得。本控制电路中，AT89C2051单片机采用24MHz的晶振频率，因为受到指令周期的限制，最大载波脉冲的频率取12K较为合适。编程计算出1/4周期正弦波相应周期上的各载波脉宽 ，存入数据表中待用，在应用程序中，充分利用单片机的内部资源，用软件查表法逐一控制片内定时器输出调制脉冲，输出经滤波后生成一稳定的正弦波。单片机控制流程如图2所示。

　　图3中从单片机端口P1.7和P1.5输出的电压V1/F、V2F是两个频率为50周波，相位差180电度的方波脉冲。从P1.6和P1.4输出的电压V1/Z、V2Z是两组如图1所述的，相位差180电度的正弦波调制脉冲串。P1～P4是4个故障输入信号，P0是故障保护输出信号。逆变器的故障判断及保护均由单片机的软件实现控制。

3．正弦波逆变器

3．1　逆变器的电路原理结构

　　逆变器的电路工作原理图见图4所示。逆变器由辅助电源FDY；单片机脉冲调制及保护电路M1；上半桥驱动模块M4；下半桥驱动模块M5；保护模块M6；升压稳压模块M3；升压变压器T；逆变控制模块M2及输出滤波电路等几部份组成。由于采用了SMT工艺和模块化技术，使生产、安装、调试、互换及维护都非常方便。

3．2　逆变器工作原理说明

　　如图4所示，由高频变压器T1、场效应管Q1、Q2和控制模块M2组成推挽式高频逆变电路，它与整

流桥BR及电容器C1把蓄电池电压升至约280伏的电压，再经过升压稳压电路，输出320伏的稳定直流电压，为Q4～Q7组成的桥式正弦波逆变电路提供电源电压。升压稳压电路由电感Ll、场效应管Q3、控制模块M3、D1、C2组成的。在逆变电路中，上半桥的两个管Q4、Q6因其GS极都是悬浮的（没有接地点），所以驱动电源由高频自激振荡器制作的辅助电源FDY模块提供两组独立隔离的15V电源。模块M4是用光电耦合器设计的上半桥(Q4、Q6管)隔离驱动电路，驱动信号来自单片机AT89C2051的P1.6和P1.7端口输出的50Hz方波脉冲信号，电路结构如图5所示。模块M5是相同的两组用作电平转换和功率放大的驱动电路，它分别直接驱动下半桥的Q5、Q7管，驱动信号来自单片机的P1.5和P1.6端口输出的正弦波脉宽调制脉冲串，电路结构如图6所示。桥式逆变电路的输出经过用铁硅铝磁环制作的电感L2和电容C3滤波后，输出正弦波电压。

　　　　
　　本逆变器的正弦波输出电压频率精度是不容置疑的，不需任何调整。因为它是通过24MHz晶振分频得到的。由于受程序指令工作周期的影响，导致单片机输出的脉宽和脉冲间隔与计算值有所不同，使输出波型产生一些小许的畸变和失真。因此，还需要在第一次调试过程中，对脉冲的宽度和间隔作某些简单的实时修正，这样就能使正弦波失真度更小。当然，正弦波的失真度还与输出滤波电路的电感、电容的取值也有关。

4. 逆变器的保护电路

　　有经验的设计者都会体会到，保护电路对电路的可靠性、性能及调试难易是一个不可忽视的重要部份。假如一台逆变器直接起动800瓦的白炽灯负载，其瞬间功率将达到6－8千瓦，这一瞬时的浪涌功率，对逆变电路功率器件来讲是完全可以承受的。但是，如果保护电路误判为短路状态，逆变器的性能指标则达不到技术要求，使整机的负载性能降低。过载保护，过热保护，电池低压保护等环节都需要一个时间相对准确的特定延迟。如果用RC模拟电路延时，由于元器件参数的分散性，会导致延时时间不准确，同时增加了电路元器件的用量。

　　本逆变器的保护模块M6仅用四个简单的比较器电路组成，分别施加了负载电流、电池电压、温度传感电压信号。当电路工作不正常时，模块M6输出的电压分别送至单片机的P3.2～P3.5四个输入端，经由单片机控制程序作判别或延迟后，从P1.1～P1.3、P3.7四个输出端口发出故障指示，用LED指示灯显示故障的状况，而由P3.0输出的电平则执行保护动作。通过这一办法使保护电路既简单又可靠。

5．结束语

　　本文提出的用单片机控制的高频正弦波逆变电路，使用价格低廉的８位带电刷写Flash
ROM单片机实现正弦波的脉宽调制及保护控制，并且在单相1千瓦以下的小型逆变器上作了实际应用，其电路调试简单，输出电压稳定，工作可靠，性能良好。主要缺点是空载输出波型失真稍大，但由于其电路简单，工作可靠，软件开发量小，不失为一种小型逆变器设计的新思路。


参考文献

1.张占松 蔡宣三,　开关电源的原现与设计　 电子工业出版社
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