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1、基于AVR控制的逆变电路设计2016.5.4逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变幻的装置，主要应用与银行、 通信、医院、金融等重要机构。设计内容包括逆变电路原理分析、微机控制电路 设计、主电路设计、主要开关器件驱动电路设计，系统抗干扰设计，保护设计， 主电路设计采用开关频率高导通压降低功耗低的绝缘栅双极晶体管AVR。逆变电 源输入输出都经过变压器进行电气隔离，使整个电路系统与外接电网和负载完全 电气隔离。电源保护电路主要有过流保护、过压保护、短路保护，通过将主电路 中的电压电流信号反馈到控制电路中，实现系统自我保护功能。为保证输出稳定 的交流电压，对交流输出电压进行取样，经过采样电路处理反
2、馈到控制电路中进 行分析，使输出电压幅值稳定在规定范围内。关键词：逆变电源；AVR；微机控制；保护电路；设计方案一、AVR简介二、逆变电路设计概述1. 直流端调压2. 逆变器内部调压三、AVR单片机简介及芯片介绍（一）AVR单片机简介1. AVR系列单片机四、AVR单片机的主要特点五、逆变电路温度控制系统方案（一）系统方案介绍六、AVR控制的逆变电路设计方案1. 总体设计框图2. SPWM方案选择2.1、PWM电源芯片方案2.2、CPU软件方案3. 系统硬件电路设计3.1 CPU控制器3.2驱动和逆变电路3.3滤波电路3.4推挽升压电路4. 系统软件设计5. 实验结果结论参考文献、AVR简介A
3、VR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可 以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器 等各个领域。1997年，由Atmel公司皿旧IAYR龈火林土雄供W挪威设计中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技术，共同研 发出RISC精简指令集高速8位单片机，简称AVR。本段AVR的主要特性高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的 重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺
4、及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因， 所以采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后的 CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被 彻底改观(51以及51兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世，但依然沿 袭对时钟分频的作法。AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂 指令计算机(CISC )追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单 位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期 指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执
5、行指 令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器 存堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器、输出比 较匹配寄存器及相应控制逻辑）。提高了指令执行速度（1Mips/MHz），克服了瓶颈 现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降 低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优 化平衡，是高性价比的单片机。AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便 于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的EEProm可
6、长期保存关键数据， 避免断电丢失。片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效 的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM。AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可 设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使的得I/O 口资源灵活、功能强大、可充分利用。AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供URAT、I2C、SPI使用。 其中与8/16位定时器配合的具有多达10位的预分频器，可通过软件设定分频系 数提供多种档次的定时时间。AVR单片机独有的“以定时器/计数器（单）双向 计数形成三角波，再
7、与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、 相位可变方波的设计方法（即脉宽调制输出PWM）”更是令人耳目一新。增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、 两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通 信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂 应用，串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断 服务时间短，故可实现高波特率通讯。面向字节的高速硬件串行接口 TWI、SPI。TWI与I2C接口兼容，具备ACK信 号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主/从机的收/发全部
8、4 种组合的多机通信。SPI支持主/从机等4种组合的多机通信。AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD， 多个复位源（自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位），可设置的启 动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5-1.8V），抗干扰能力 强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。AVR单片机技术体现了单片机集多种器件（包括FLASH程序存储器、看门狗、 EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等）和多 种功能（增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干
9、扰的休眠模式、品种多门类全的 中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具替换 功能的I/O端口）于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片 上系统SoC”过渡的发展方向。综上所述，AVR单片机博采众长，又具独特技 术，不愧为8位机中的佼佼者。编辑本段AVR最大特点哈佛结构，具备1MIPS / MHz的高速运行处理能力；超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一 ACC进行处理造成的瓶颈现象；快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、 执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开
10、发；作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA （单一输出），作输入时 可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力；片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功 能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；大部分 AVR 片上资源丰富：带 E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI， ISP，AD，Analog Comparator， WDT 等；大部分AVR除了有ISP功能外，还有IAP功能，方便升级或销毁应用程 序AVR系列单片机的选型AVR单片机系列齐全，可适用于各种不同场合的要求AVR单片机有3个档次: 低档Tiny系
11、列AVR单片机：主要有Tiny11/11孑1?2&28等；中档AT90S系列AVR单片机：主要有AT90S1200/23138515/8535等；（正在 淘汰或转型到Mega中）高档ATmega系列AVR单片机：主要有ATmega8/1/32/64/128（存储容量为 8/163264/128 KB）以及 ATmega851早8535 等。AVR也是自动电压调节器的缩写Stanford AVR SX440，AVR Studio ATMEL的AVR单片机的集成环境汇编级开发 调试软件，完全免费。ATMEL AVR Studio（IDE），包括了 AVR Assembler、AVR Studio
12、调试功能、AVR Prog串行、并行下载功能和JTAG ICE仿真等功能。二、逆变电路设计概述逆变电路输出电压基波方均根值随外加控制信号电压的大小作连续调节。逆 变电路的基本功能固然是将直流电能改变成所需频率的交流电能，但含逆变电路 的工业特殊交流电源，除了必须具备变频功能之外，还要求其出端电压在一定范 围内连续可调。例如，为了防止交流电动机磁路饱和，用于变频调速的电源输出 电压需要与工作频率同步调节,以保持U/f值为常数（其中U为电源输出基波电 压方均根值,f为工作频率）。为了适应不同工件和工艺规范的需要，用于感应加 热的电源输出功率需要在一定范围内连续可调（相当于电源输出电压可调）。为 了
13、在电网和负载波动条件下维持输出电压恒定，各种恒压电源（如不停电电源等） 必须具备输出电压快速调节的功能等等。截至20世纪80年代，已发展了多种调压方式以适应不同场合的要求，主要 有直流端调压和逆变器内部调压两类。1. 直流端调压逆变输出电压的调节由直流电压为可调来实现。这时逆变器仅具有变频功 能，而直流侧则具有可控整流的功能（见相控整流电路和直流变换电路）。该功 能可由以下电路结构实现： 相控整流电路； 不控整流电路加直流斩波电路； 斩控整流电路； 交流调压电路加不控整流电路。较常用的是前两种。2. 逆变器内部调压直流端采用不控整流电路。直流电压不变，逆变输出电压的调节在逆变器内 部实现。这时
14、逆变器兼具变频和调压两种功能。这种调压方式较之直流端调压具 有主电路结构简单、电网侧功率因数高、电压调节动态响应快等优点，因而得到 更多的应用。逆变电路内部调压功能以调压范围和线性度等工作指标来衡量。 但由于在调压过程中也会影响逆变输出电压的谐波含量，而谐波含量的高低对逆 变器出端滤波器容量、体积和重量、整机效率、输出功率都有影响，因此在评价 各种调压方式时，除了考虑上述调压功能之外，还要兼顾谐波含量的影响。常见的逆变器内部调压方式有以下两种。桥内移相调压方式。各桥臂用自关断元件的通用符号表示，其控制极脉冲分布状态如图1b。由 图可见，ug1和ug4、ug2和ug3保持相位互补关系，但ug3和
15、ug2分别引前于 ug1和ug4某一电角度。，该角度在0180范围内连续可调。图1a中虚线 框A内两臂称为基准臂，B内两臂则称为移相臂。改变移相臂对基准臂的相位差 0即可改变输出电压波形，从而改变输出电压基波方均根值。对输出电压进行分 析，可得式中n为正奇数,T为脉冲宽度。上式表明，改变参数T （相当于改变相移），即可改变各次谐波幅值。其中基波方均根值可表示为桥内移相调压方式的优点是控制简单,调压线性度好，但输出电压谐波含量较 大。正弦脉宽调制（SPWM）调压方式：仍以单相电压型逆变电路为例（图2a），为简单计，各桥臂仍用自关断元件（如GTO、GTR和Power MOSFET等，若采用普通晶闸
16、管则需附加换流电路），显然，主电路结 构与图1完全相同，脉宽调制（英文缩写PWM）控制方式是高频电力电子电路 常用的控制方式。在逆变电路的范围内，它可视为频控方式与斩控方式的结合， 其基本思路是使电路中可控元件以远高于逆变器输出频率f的载波频率fc开 关工作，而可控元件在每一载波周期（Tc=1/fc）中的占空比D（D = t /Tc，T为元件 导通时间，即控制极脉冲宽度）则受控于控制信号ug的幅值，因此所谓正弦波脉 宽调制（英文缩写SPWM）是指在一个逆变周期T（T=1/f）中，脉宽T随时间按正 弦规律变化，即式中K为比例常数，是控制信号幅值。图2b为门极脉冲的形成方式，其脉 宽T由载波信号uc （三角波）和调制
