摘 要：介绍了一种基于正弦脉宽调制技术（SPWM）设计交流高压稳压电源的方法，利用MOSFET管组成的全桥式逆变电路和单片机80C196，通过查表和在线计算相结合的方法实时产生SPWM波形。在闭环电路的控制下，经滤波和升压得到频率稳定、波形精度高的正弦交流电。
关键词：稳压电源；微处理器；逆变器；正弦脉宽调制技术（SPWM）
1引言
在电力设备参数的高电压测试中,经常需要一种在一定范围内电压连续可调、波形失真小、频率稳定的高压交流电源作为测量的激励源。以前多直接采用升压变压器获得高电压,再通过继电器改变变压器变化实现电压的调整。因其只有有限个离散点,所以电压不能连续调节。另一方面,由于输出波形与市电波形相同,所以失真严重。用他作为基准激励源，常常造成测量误差。
目前，微机控制技术和正弦波脉宽调制技术（SPWM）在电源的设计中获得了广泛的应用，其特征是用微处理器产生SPWM驱动信号。通常有2种方法：一种是查表法；另一种是实时计算法。查表法要通过三角载波和正弦调制波相比较来确定开关时刻，他是根据不同的调制度和调制信号的角频率，先离线计算出各开关器件的通断时刻，把计算结果存于EPROM中，运行时查表读出所需要的数据进行实时控制。这种方法占用机时少、速度快，但由于受存储量的限制，不能输出电压幅值连续变化的正弦波。实时计算法是系统运行时，在线计算所需的数据，这种方法产生的正弦波精度高，幅值可连续调节，但对计算机的要求较高，一般的微处理器满足不了要求。本文介绍的方法实际是将上述2种方法相结合，即离线进行必要的计算并将运算结果存入存储器，运行时再进行较为简单的在线计算，这样既可保证波形精度，又不会占用大量的时间 ,一般的微处理器即可满足要求。
2产生SPWM波的方法
在SPWM波形的产生方法中,有传统的模拟方法和先进的数字方法。本文应用的即是一种数字方法,是一种等面积SPWM算法。具体思路就是使每一载波周期内逆变器输出脉冲面积和在同一载波周期内希望得到的正弦波面积相等。他不像模拟方法需要由正弦参考波与三角波的比较才能产生SPWM波形，这里不需要三角载波，只需要给出载波周期。对一个给定的电压期望值，可以将其对应的一个周期划分为若干个相等的时间间隔，正弦波每一小区间的面积可以由具有一定宽度和幅值的脉冲波来等效，这就是等面积法产生SPWM波的原理 。等面积算法具有计算量小、精度高、输出电压波形接近正弦波、谐波损耗小等优点。
如图1所示，将半个周期的正弦波分成N等份，然后把每一份正弦曲线段与横轴所包围的面积用与之相等面积的等高矩形脉冲来代替，即相对应的同一时间段内矩形脉冲面积与正弦波和横轴所包围的面积相等。同样正弦波的负半周也可用该方法来等效。N的多少就意味着SPWM信号的调制频率高低，调制频率越高正弦波的波形越好，但频率的选择又受元件频率特性的限制。根据上述原理，本文设计了一种电源，其电压在500～10000 V范围内连续可调，由于采用查表和在线计算相结合的方法，使输出电压的精度得到保证，同时又满足了实时性的要求。
3工作原理及系统结构
图2为系统的框图，其中的80C196单片机系统是整个系统工作的核心，用于产生SPWM驱动信号，由4个MOSFET管组成了逆变电路。
系统的工作原理如下：操作员通过输入接口电路向16位微处理器输入所要得到的正弦电压幅值，微处理器根据所输入的电压标称值，产生对应的SPWM信号，此信号经驱动电路,便会在逆变桥的输出产生功率SPWM波，经过滤波电路,就得到正弦波 ,该正弦波再通过一个升压电路升压,就得到期望的正弦波电压输出。由于滤波器造成的信号损失以及市电波动等因素的影响，输出的正弦电压可能会偏离期望值,所以从输出端进行电流和电压取样，取样值通过光电隔离电路及A/D转换电路反馈至单片机，单片机再与设定的电压、电流值进行比较。如果发生过流现象，则采取相应的保护措施，停止脉冲输出。如果偏离电压期望值，则相应改变SPWM波的宽度以调节输出。
4软件设计
假设希望输出的正弦电压的曲线参数为Umsinωt，如图1所示。
从ti到ti＋1区间正弦波与坐标轴围成的面积为：
如果将一个正弦波分成2N等份，显然对任一区间ΔT，将有一个Δδi与一组cosωti-cosωti+1值（i＝1，2，2N-1,2N）相对应 。由上式可以看出,因为ω、Ud均为常数，所以Um与由Δδi的值构成的线性表成正比关系,只要将Δδi构成的表格线性的放大或缩小，就可改变输出正弦波的幅值Um。如果将由Δδi构成的表格事先存入EPROM中，系统工作时，由微处理器依次取出，作为定时值，驱动逆变器中的功率管，逆变桥便可输出要求的SPWM波。考虑到正弦波的对称性，实际上只需将1/4周期对应的Δδi存入EPROM中。如果EPROM中存储的是逆变器所能输出的正弦波最大幅值Um所对应的一系列Δδi值，此时开关管导通时的占空比也最大，那么可将Um的值作为标么值。Um是这种设计方法所能产生的最大电压值Um的值通过理论计算来获得，将期望产生电压值Uo与Um相比较作为确定输出脉冲宽度的比例系数，记为K1；经过一个交流电周期后得到一个实际输出电压U，一般来说，他与Uo是不相等的，设K2= U0/ U，K2的作用是确定偏差量,在下一个工作周期到来的时候，根据Ｋ2改变比例系数Ｋ，Ｋ= K1×K2，Ｋ与一系列Δδ值相乘后作为单片机中定时器的定时值，这样就达到了调节开关管占空比，从而改变输出电压的目的。系统工作的软件流程如图３所示，其中控制系统运行、键盘处理、外部事件判定和响应等功能由主程序完成，而SPWM波的输出则通过定时器由外部中断子程序完成。
由于一般开关器件的开通时间小于关断时间，因此如果将互补的控制信号加到同一桥臂2个开关器件的控制极上，那么这2个开关器件将会发生短路，其后果是严重的，所以在程序中设置了一个控制死区时间,其大小为５～１０μs 。其他参数设置如下：开关管的工作频率f＝10kHz，交流电的频率为50Hz，一个交流周期将被分成2N=200个区间，开关管工作的最大占空比为50％。
5方法评价
利用上述方法研制的交流稳压电源，输出幅度可连续调节，由于采用闭环控制的方法不断检测输出电压，使得该系统具备了自校准性，因而输出电压稳定性好。经实测，输出电压在500~8 000 V范围内，波形失真度小于5%。 证明系统硬件设计合理、软件编程得当 。但是，输出波形仍存在一定量的失真，并非严格意义上的正弦波，原因是死区效应的存在，使得精确设计的SPWM控制信号不能准确无误的加到主电路开关器件的控制极，从而导致逆变器的实际输出电压波形偏离理论上的理想电压波形。
总体上来看，该系统具有以下特点：
①电路简单实用；
②采用等面积法的SPWM技术，在功率主电路复杂性不增加的前提下减小了输出谐波，优化了系统的性能指标；
③采用在线计算和查表技术相结合，较好地解决了输出精度和输出实时性的矛盾；
④用软件产生SPWM波，输出电压调节灵活、稳定可靠。
参考文献
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