介绍了以C8051F系列单片机产生SPWM算法为基础制作的数字化AC/DC/AC单相变频电源，该电源将公网三相交流电转化为输出电压幅值和频率可独立调节的单相交流电。实验结果表明该电源输出电压波形较理想，实现的调压、调频精度高，反馈灵敏迅速，保护措施齐全有效。
1 引言
目前，变频电源已在国民经济的各行各业中得到了广泛应用。但不同的用电设备对变频器要求不同，如电动机变频调速器，要求对输出电压信号进行VVVF控制。本文设计的将电网三相交流电转变为单相交流电的变频电源装置，可单独调节输出电压的幅值或频率，两者互不影响，调压范围(变压器一次侧输出电压Uo幅值)为0～450V，误差±2%，调频范围为20～600Hz，精确到0.01Hz，装置容量为30kVA。负载为工、C串联谐振电路，通过调节Uo的幅值和频率，使负载在谐振点附近工作，从而在谐振电容两端得到一高电压。整个装置控制系统由单片机C8051F040实现，最后制作了一台样机，并得到了比较理想的实验结果。
2 单相变频电源工作原理简介
M57962L以及单片机等控制部分所需的辅助电源，由TOPSwiteh系列的三端单片开关电源芯片，通过高频变压器来提供各自隔离的电源。为了防止同桥臂开关管直通造成短路，M57962L在输出驱动脉冲之前分别以软件编程和硬件互锁两种方式保证逆变桥的安全运行。
系统负载为L、C串联谐振电路，当系统输出电压Uo的频率接近负载谐振点时，谐振电容C两端便得到一高电压。根据负载变化来调节Uo的幅值和频率，可使得谐振电容上产生不同的高压值。
系统运行前，由键盘设定输出电压幅值和频率;刚开始运行时，Buck电路开关管占空比逐步上升，实现了软启动功能，同时也是冰电压幅值进行粗调，在稳态时，其输出UDC恒定;运行过程中输出电压频率稳定，幅值则通过反馈进行微调。电压采样电路为单片机提供反馈信号，形成闭环控制，保证输出电压的幅值在允许的误差范围之内。
显示电路用来显示运行时各参数值以及各种故障状况。过流保护由单片机通过电流互感器采样每个桥臂电流实现，过热保护由单片机通过温度传感器采样开关管散热片温度实现。系统还包括输入缓冲电路和整流级电路等，在图中并未画出。
3 软件设计及控制策略
C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，是真正能独立工作的片上系统，具有4352B内部RAM空间，64K的Flash存储器，64K的外部数据存储RAM，片内最高时钟可达25 MHz。本文产生SPWM信号主要是使用了其可编程计数器阵列(PCA)功能，而采样反馈是使用了其12位多通道ADC。
(1)产生SP-WM策略 为充分利用开关管开关频率，以及减小输出SPWM波滤波后的正弦波畸变率，在软件中用实时计算和查表法共同作用生成单极性SPWM，并作了三点措施：①载波比N从20～600Hz分成了9个频段，低频时取最大值为360，高频时取最小值为30。在每一频段，当N<360时并非正弦表中每个数值都被选择到并用来计算PWM脉宽，为保证输出SPWM波的对称性，在输出正弦波半个周期(180°)内，应以表中90°角对应的数值为参考，选择两边对称的数值来计算。②选择单极性SPWM。由于双极性SPWM控制电路中，同一桥臂上下两个开关管的驱动信号是互补的，为防止直通而造成短路，必然要保证上下两个开关管每个PWM脉冲间的死区时间tn，如图3所示。这一时间的长短要同时考虑开关管自身特性及单片机的运行速度。这给控制方法的生成和最终的输出滤波都带来影响。而在单极性SPWM波的控制电路中，为防止直通只需在输出正弦波半周期结束时，保证一定的开关死区时间，控制方法简单，且输出滤波的实现更便利。③考虑到单片机本身的运行速度以及IG-BT的通断速度，在编程时，限制了SPWM波的最低和最高脉冲宽度。在频率一定的情况下，如输出电压过低，则相应的调制比m 。很低，计算得到的SPWM波中会出现大量脉宽相近的脉冲波。因此，这时输出的SPWM波并未严格按正弦规律变化，最后用这样的SPWM波去驱动IGBT得到的输出波形经滤波后得到的正弦波会发生一定的畸变。解决的办法是在AC/DC级后增加DC/DC级Buck电路，稳态时Buck电路占空比根据键盘设定的电压幅值计算而得，故输出低压可由其来调节而使ma。不会降太低;或者使用频率更高的IGBT和速度更快的单片机，在ma过小时增加载波比N，以防止低压时波形畸变加剧。
(2)调压、调频相互独立 由于系统工作的频率和电压变化范围均很宽，而要求在单独改变输出电压频率时，电压幅值基本不变;单独改变输出电压幅值时，频率不变。由于输出的SPWM脉宽由单片机PCA计数实现，精确度可以达到很高，故输出电压频率精度很高。而确保输出电压的幅值稳定则主要利用调节调制比ma来实现，输出电压的幅值有一定的误差。
(3)采样反馈闭环控制 在单片机电压采样的A/D反馈控制策略上，如果每次采样后均对输出电压幅值进行调节，会造成输出电压稳定性变差。因为程序在运行时，当采样后的反馈数据超过参考电压偏差允许范围时，就会根据这偏差去调节调制比ma，然后根据新的调制比ma重新计算SPWM脉宽，最后先停止运行旧的SPWM脉宽数据，重新装载新的SPWM脉宽数据。在这个调节过程中，就会使相邻输出周波在转换之间有很小的延迟，输出波形频率出现波动。为了改善这一状况，并保证输出电压的稳定和快速响应，取多次采样反馈值后求其平均值，利用平均值对输出电压幅值进行调节，这同时可减少误调节现象的发生。当平均值在参考电压允许范围内变化时，调制比ma不变，输出电压幅值不变;当平均值超出参考电压允许范围时，调节调制比ma来调节输出电压幅值。
4 实验结果
实验参数如下：输人为380V三相交流电，开关管IGBT选用CMIOODY—24NF，直流环电容为两个1000µF/450V串联，输出滤波电感Lf=0.5mH，输出滤波电容CF=4.7µF，负载采用一个电感与一组电容串联，通过变压器连接在逆变器输出端。主要针对在不同频率、相同电压设定下，以及相同频率、不同电压设定下，输出结果是否满足要求，进行了实验。
从输出实验结果波形图可见，输出频率单独变化时，电压幅值基本不变;输出电压幅值单独变化时，频率基本不变，达到了调压、调频相互独立的效果。
5 结束语
本文提出的调压、调频相互独立的数字化单相变频电源可实现的正弦波输出电压调频范围宽而精确、调幅范围广而误差小，并且电压幅值、频率可独立调节而互不影响。与传统电源相比，此数字电源具有输出精度高、稳定可靠、可实现远程控制、便于智能化管理等优点，可作为对频率和电压幅值有特殊要求的多种用电设备的电源。
