??? 摘 要： 提出了一種基于PIC單片機設計的三相正弦波" title="正弦波">正弦波變頻電源" title="變頻電源">變頻電源。樣機實踐證明，該電源切實可行、成本低廉，且具有輸出頻率可調、缺相保護、過流保護、不平衡保護等特點。
??? 關鍵詞： 單片機? 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稱規則采樣法，產生SPWM信號以實現逆變控制；二是利用DSP芯片產生SPWM信號以實現逆變控制；三是用專用芯片配合微處理器產生SPWM信號實現逆變控制。上述三種方法有一個共同缺點，就是實現成本高。本文提出一種新的利用單路PWM實現三相逆變控制的設計方法，這種方法充分利用單片機的片內資源，而且各種參數的取樣顯示和各種保護功能都盡可能利用軟件實現，大幅度節約了系統成本。
1 設計原理
??? 設以T為周期的周期信號v(t)為奇函數，即v(t±T)=-v(t);且v(t)為奇諧函數，即v(t±
)=-v(t)，其波形圖如圖1所示，則該信號傅里葉級數的an項為零，bn的偶數項亦為零。由圖1可知，脈沖波形前半周期的表達式為：
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??? 因此，v(t)的傅里葉級數為：
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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v(t)的基波有效值為：
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??? 由上述分析可知，圖1信號中主要成份為基波，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。故而只需設計實現圖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計三相正弦波變頻電源。
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2 硬件設計
2．1系統結構
??? 整個系統硬件結構如圖2所示。
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? 該系統的控制核心采用美國Microchip公司的PIC16F877A單片機，由單片機控制三相橋式逆變電路的工作狀態，單片機檢測輸出線電壓" title="線電壓">線電壓并調整三相橋式逆變電路以維持恒定的輸出線電壓；單片機檢測三路線電流，并由此判斷是否進行過流保護、缺相保護、三相不平衡保護；通過鍵盤由單片機調整設定輸出正弦波的頻率，且由數碼管顯示當前負載工作電壓、電流、頻率、功率等參數。
2．2電路設計
??? 整個系統硬件電路圖如圖3～圖5所示（圖中的器件參數均為輸出36V線電壓，1A電流而設計）。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輸出線電壓降壓后再整流、濾波實現，該電路產生信號送往單片機，單片機根據此信號判斷并調整輸出電壓（調整PWM信號的占空比）。圖3中輸出電流取樣模塊（共三組）利用交流互感器感應出輸出電流的千分之一，經取樣電阻轉換為交流電壓，再經整流、濾波、放大后送入單片機，單片機根據此輸入信號判斷輸出電流大小，并由此決定對電路是否進行過流保護、缺相保護和不平衡保護等。
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??? 圖4是單片機電路。單片機判斷到電路工作異常后則控制逆變電源輸入保護控制電路，使其斷開繼電器，逆變電路輸出為0，進入保護狀態；圖4中單片機顯示電路顯示系統各種測量值，按鍵可設定逆變輸出電壓的頻率、顯示數值類型（如電流、電壓、頻率、功率）。
三相逆變控制是本硬件設計的核心電路。圖5是三相逆變控制電路。圖5(a)用來產生三相逆變控制電路圖5(b)六個晶體管所需的控制信號。G1、G3、G5控制信號產生原理一致，G2、G4、G6控制信號產生原理一致。G1控制過程如下：單片機RC2引腳產生的PWM信號經與門延時，在RC4的控制之下加到Q14，當Q14基極為低電平時，Q14截止，Q24截止，Q26導通" title="導通">導通，加在晶體管Q1的柵、源極的電位近似相等，Q1截止；當Q14基極為高電平時，Q14導通，Q24導通，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導通。G2控制過程如下：當RC5為高電平時，Q17、Q23截止，Q18導通，晶體管Q2柵極為低電平，Q2截止；當RC5為低電平時，Q17、Q23導通，Q18截止，晶體管Q2柵、源極電位差為12V，Q2導通。在單片機的控制下，可產生圖5(b)的Q1~Q6晶體管的時序信號波形，其具體時序波形如圖6中的G1~G6波形。
圖5(b)中的功率開關管為降低成本選用場效應管，未用IGBT，同樣可獲得良好的控制效果。該電路采用2?仔/3導通方式，Q1～Q6在一周期內有六種不同導電模式，如表1所示。其對應的相電壓和線電壓波形如圖6所示。
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??? 六個開關功率管輸出的三相信號波形除基波外，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 軟件設計
??? 本系統軟件采用散轉結構模塊化設計，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。為節約篇幅略去中斷服務程序框圖、按鍵掃描顯示程序框圖、頻率設定模塊程序圖、保護處理模塊程序圖、正常工作模塊程序框圖。
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??? 為提高系統穩定性，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 結果討論
??? 本設計的樣機測試結果如下：輸出相電壓、線電壓能隨輸入電壓（198～242V）的不同而自動調節，各相絕對值誤差均小于5%，輸出頻率可在20~100Hz范圍內預設或連續調整(步進1Hz)，實際輸出頻率誤差小于0.2%，各相輸出正弦波失真度小于6％，各種保護和顯示功能正常。
??? 可見本設計是切實可行的，只需稍加改進便可應用于三相UPS中。本設計有廣泛的推廣應用前景。
參考文獻
[1] ?張燕賓.SPWM變頻調速應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.
[2] ?竇振中，汪立森.PIC系列單片機應用設計與實例［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1999.