CN100566107C - 数字式纯正弦波逆变装置及其逆变方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式纯正弦波逆变装置及其逆变方法，其特点是，装置包括一输入电路、一控制电路、一逆变电路、和一滤波电路、以及一输出电路；逆变电路的输入端通过输入电路连接直流电压，该逆变电路的输入端并与控制电路的输出端连接，逆变电路的输出端连接滤波电路，该滤波电路的输出端通过输出电路输出交流电压；该从滤波电路输出的交流电压反馈到控制电路的输入端。方法是：将直流电压输入到逆变电路产生高频的PWM波形，然后通过滤波单元将高频部分滤掉，剩下低频的正弦波部分，通过交流输出送出。本发明电路结构简单，输出的交流电的波形为纯正弦波，输出的电压和频率稳定，不会随输入电压和负载的变化而变化。

Description

数字式纯正弦波逆变装置及其逆变方法

技术领域

本发明属于数字逆变领域，具体地说是一种完全用单片机控制，把直流电变成一个电压稳定、频率稳定、波形为纯正弦波的数字式纯正弦波逆变装置及其逆变方法。

背景技术

目前市场上各类逆变器很多。有些利用传统的模拟方法，有些把数字和模拟的方法并用。而真正使用数字方法的却很少。使用数字方法逆变需要很大的计算量，才能够真正且同时达到电压稳定、频率稳定以及波形为纯正弦波等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的数字式纯正弦波逆变装置及其逆变方法，它完全使用单片机控制，并且能够用非常少的计算量，同时达到电压稳定、频率稳定、波形为纯正弦波等特点。

本发明采取的技术方案是：数字式纯正弦波逆变装置，其特点是，包括一输入电路、一控制电路、一逆变电路、和一滤波电路、以及一输出电路；所述的逆变电路的一个输入端通过输入电路连接直流电压，该逆变电路的另一个输入端与控制电路的输出端连接，逆变电路的输出端连接滤波电路，该滤波电路的输出端通过输出电路输出交流电压；该从滤波电路输出的交流电压反馈到控制电路的输入端，其中，控制电路包括采样单元、比较单元、函数幅度选择单元、驱动单元、以及波形函数单元和基准电压发生器；采样单元的输入端与输出电路输出的交流电连接；采样单元、比较单元及函数幅度选择单元顺序连接；函数幅度选择单元和波形函数单元的输出端与驱动单元的输入端连接；驱动单元的输出端与逆变电路的另一个输入端连接；基准电压发生器的输出端与比较单元的另一个输入端连接。

上述数字式纯正弦波逆变装置，其中，所述的控制电路由一单片机构成。

上述数字式纯正弦波逆变装置，其中，所述的逆变电路由桥式电路构成。通过周期性地改变各桥臂通断的时间，可以输出波形为纯正弦波的交流电；各桥臂通断的时间可以由一个存在单片机程序存储器里的正弦函数表来得到。

上述数字式纯正弦波逆变装置，其中，所述的逆变电路由相互并联的两对场效应管构成，每对场效应管的源极和漏极相连接，该连接点输出与滤波电路连接。

上述数字式纯正弦波逆变装置，其中，所述的滤波电路由两个电感和并联在该两个电感输出端的电容构成。

数字式纯正弦波逆变方法，其特点是，包括以下步骤：

a、将直流电压输入到逆变电路产生高频的PWM波形，然后通过滤波单元将高频部分滤掉，剩下低频的正弦波部分，通过交流输出送出；

b、交流输出送出的交流电压反馈到控制电路的采样单元，该采样单元对输出电压进行采样，然后由比较单元对采样电压与基准电压进行比较；

c、函数幅度选择单元根据比较单元得出的结果选择合适幅度的正弦函数表格送到驱动单元；其中，

函数幅度选择单元包括一个函数幅度指针变量和两个函数表内指针变量；函数幅度指针变量根据比较单元得出的结果改变，它的每一个数值对应波形函数单元中的每一个不同幅度的正弦函数；另两个函数表内指针变量受到每个正弦函数表中数据的个数所约束，其中一个首先表示正弦函数表中的第一个数据，然后表示第二个，直到它表示最后一个数据后，再反方向表示倒数第二个，相继表示倒数第三个，直到它表示第一个数据后，再重复上面的动作；另一个变量与它正好互补，首先表示正弦函数表中的最后一个数据，然后表示倒数第二个，其改变方法是相同的；

d、波形函数单元存放着各种幅度的正弦函数的每一点的数据；并将这些数据逐个送到驱动单元；

e、驱动单元的输出连接逆变电路，使逆变电路通过两组PWM信号的驱动，产生高频的PWM波形，这个波形经滤波单元滤波后，产生纯正弦波形的交流输出。

上述数字式纯正弦波逆变方法，其中，步骤d所述的波形函数单元按顺序存下多个正弦函数表，每张表格按顺序减小或者增加正弦函数的幅度。

上述数字式纯正弦波逆变方法，其中，步骤a所述的逆变电路是一个桥式电路，通过周期性地改变各桥臂通断的时间，可以输出波形为纯正弦波的交流电；各桥臂通断的时间可以由波形函数单元存储的正弦函数表来得到。

上述数字式纯正弦波逆变方法，其中，步骤c所述的函数幅度选择单元包括一个函数幅度指针变量和两个函数表内指针变量；所述的函数幅度指针变量根据比较单元得出的结果改变，它的每一个数值对应波形函数中的每一个不同幅度的正弦函数；另两个函数表内指针变量受到每个正弦函数表中数据的个数所约束，其中一个首先表示正弦函数表中的第一个数据，然后表示第二个，直到它表示最后一个数据后，再反方向表示倒数第二个，相继表示倒数第三个，直到它表示第一个数据后，再重复上面的动作；另一个变量与它正好互补，首先表示正弦函数表中的最后一个数据，然后表示倒数第二个，其改变方法是相同的。

由于本发明采用了以上的技术方案，其产生的优点是明显的：

一、本发明利用一个桥式逆变电路，通过周期性地改变各桥臂通断的时间，可以输出波形为纯正弦波的交流电，而不是方波或者准正弦波。

各桥臂通断的时间可以由一个存在单片机程序存储器里的正弦函数表来得到。根据正弦函数表的数值，各桥臂的通断时间比例周期性地由小变大，再由大变小。最终逆变电路的输出通过低通滤波后，就可以得到一个电压周期性地由小变大，再由大变小的电源。这个电源的电压变化是根据正弦函数表得到的，所以是纯正弦波。

二、本发明无需大量计算就可得到稳定的输出电压和频率，而不会随输入电压和负载的变化而变化。

单片机的程序存储器里面按顺序存下多个正弦函数表。每张表格按顺序减小或者增加正弦函数的幅度。同时，单片机对输出电压进行采样。如果由于外界因素使得输出电压变低了，那么单片机会取一张幅度大一级的正弦函数表格来代替原来的表格。反之，则会取一张幅度小一级的正弦函数表格来代替原来的表格。由于单片机的执行速度远远快于输出电压受外界影响的反应速度。所以，输出的电压始终是稳定的。

另外，每张表格的长度相同，因此输出波形的频率就是恒定的了。

由于电压的输出只是在表格之间的切换，因此根本不需要大量的计算，从而使软件的反应速度更快，输出更稳定。

附图说明

本发明的具体特征性能由以下的实施例及其附图进一步描述。

图1是本发明数字式纯正弦波逆变装置的电方框图。

图2是本发明数字式纯正弦波逆变装置的具体电路图。

图3是本发明数字式纯正弦波逆变的方法的流程图。

具体实施方式

请参阅图1。本发明数字式纯正弦波逆变装置，包括一输入电路1、一控制电路2、一逆变电路3、和一滤波电路4、以及一输出电路5。逆变电路的输入端通过输入电路连接直流电压，该逆变电路的输入端并与控制电路的输出端连接，逆变电路的输出端连接滤波电路，该滤波电路的输出端通过输出电路输出交流电压；该从滤波电路输出的交流电压反馈到控制电路的输入端。

所述的控制电路2由一单片机构成，使用有两个以上PWM输出口的单片机就可以完成本控制电路的功能，比如型号为SST89E554RC的单片机。该控制电路包括采样单元21、比较单元22、函数幅度选择单元23、驱动单元24、以及波形函数单元25和基准电压发生器26。采样单元的输入端与输出电路输出的交流电连接；采样单元、比较单元及函数幅度选择单元顺序连接；函数幅度选择单元和波形函数单元的输出端与驱动单元的输入端连接；驱动单元的输出端与逆变电路的输出端连接；基准电压发生器的输出端与比较单元的另一个输入端连接。

请参阅图2。本发明数字式纯正弦波逆变装置的逆变电路3由桥式电路构成。通过周期性地改变各桥臂通断的时间，可以输出波形为纯正弦波的交流电；各桥臂通断的时间可以由一个存在单片机程序存储器里的正弦函数表来得到。

本实施例中，所述的逆变电路3由相互并联的两对场效应管Q1和Q2、以及场效应管Q3和Q4构成，每对场效应管的源极和漏极相连接，该连接点输出与滤波电路连接。直流输入的正极接到场效应管Q1和Q3的漏极，负极接到场效应管Q2和Q4的源极。场效应管Q1的源极和场效应管Q2的漏极相连后接到电感L1的一端，场效应管Q3的源极和场效应管Q4的漏极相连后接到电感L2的一端。电感L1和L2的另一端分别与电容C的两端相连后，作为交流输出的两端。场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极分别与单片机相连接。

滤波电路4由两个电感L1、L2和并联在该两个电感输出端的电容C构成。

场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极分别接收单片机发出的驱动信号。单片机的驱动信号是根据正弦函数表格里的数据得到的。控制电路是嵌设在单片机里的软件，使用两个函数表格内指针，一个从正弦函数表格头开始向正弦函数表格尾移动，另一个正好相反，从正弦函数表格尾开始向正弦函数表格头移动。每次都移动一个数据。第一个指针取出的数值所对应占空比的脉冲信号送到场效应管Q1和场效应管Q4，而另一个指针取出的数值所对应占空比的脉冲信号送到场效应管Q2和场效应管Q3。这样，两组场效应管会发生互补地通和断。这个信号通过电感L1、L2和电容C组成的滤波器滤波后，就在输出端的两个脚上，产生一个纯正弦波形的交流输出。

请配合参见图1。本发明数字式纯正弦波逆变方法包括以下步骤：

a、将直流电压输入到逆变电路，产生高频的PWM波形，然后通过滤波单元将高频部分滤掉，剩下低频的正弦波部分，通过交流输出送出；所述的逆变电路是一个桥式电路，通过周期性地改变各桥臂通断的时间，可以输出波形为纯正弦波的交流电；各桥臂通断的时间可以由波形函数单元存储的正弦函数表来得到。

b、交流输出送出的交流电压反馈到控制电路的采样单元，该采样单元对输出电压进行采样，然后由比较单元对采样电压与基准电压进行比较；

c、函数幅度选择单元根据比较单元得出的结果选择合适幅度的正弦函数表格送到驱动单元；

d、波形函数单元存放着各种幅度的正弦函数的每一点的数据；并将这些数据逐个送到驱动单元；波形函数单元按顺序存下多个正弦函数表，每张表格按顺序减小或者增加正弦函数的幅度。所述的波形函数单元将各正弦函数表数据逐个送到驱动单元时，如果由于外界输出电压变低了，那么会取一张幅度大一级的正弦函数表格来代替原来的表格；反之，则会取一张幅度小一级的正弦函数表格来代替原来的表格。

e、驱动单元的输出连接逆变单元，使逆变单元通过两组PWM信号的驱动，产生高频的PWM波形，这个波形经滤波单元滤波后，产生纯正弦波形的交流输出。驱动单元向外所连接的，就是场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极。单片机的PWMO脚接到场效应管Q1和场效应管Q4，单片机的PWM1脚接到场效应管Q2和场效应管Q3。这样，两组场效应管通过两组PWM信号的驱动，产生高频的PWM波形，这个波形经滤波单元滤波后，就在交流输出端的两个脚上，产生一个稳定幅度的纯正弦波形的交流输出。

步骤c所述的函数幅度选择单元包括三个变量：其中一个可以根据比较单元得出的结果改变，它的每一个数值对应了波形函数中的每一个不同幅度的正弦函数，它被称为函数幅度指针；另两个的变化受到每个正弦函数表中数据的个数所约束，一个首先表示正弦函数表中的第一个数据，然后表示第二个，直到它表示最后一个数据后，再反方向表示倒数第二个，然后表示倒数第三个，直到它表示第一个数据后，再重复上面的动作。另一个变量与它正好互补，首先表示正弦函数表中的最后一个数据，然后表示倒数第二个，其改变方法是相同的。这后两个变量称为函数表内指针。

请参阅图3，这是本发明数字式纯正弦波逆变装置的流程图。

步骤1：函数幅度指针赋初值。

步骤2：开始采样。对输出电压进行采样。

步骤3：取样完毕？如果没有完毕，则重复执行本步骤。如果完毕，则向下继续执行步骤4。

步骤4：取样电压大于标准电压？如果取样电压大于标准电压值，那么跳转到步骤6。否则，就执行步骤5。上述标准电压是指基准电压发生器产生的基准电压。

步骤5：取样电压小于标准电压？如果取样电压小于标准电压值，那么跳转到步骤8。否则，就跳转到步骤2。进行下一轮的采样。

步骤6：已指向幅度最小的表格？如果是，则跳转到步骤2，进行下一轮的采样。如果否，则向下继续执行步骤7。

步骤7：函数幅度指针减一，选择幅度小一级的正弦函数表。执行完此步骤后，跳转到步骤2，进行下一轮的采样。

步骤8：已指向幅度最大的表格？如果是，则跳转到步骤2，进行下一轮的采样。如果否，则向下继续执行步骤9。

步骤9：函数幅度指针加一，选择幅度大一级的正弦函数。执行完此步骤后，跳转到步骤2，进行下一轮的采样。

不断重复这样的工作，就可以使装置的输出始终保持稳定地电压。

每次更改函数幅度指针的时候，两个函数表内指针的值是保留的。它们总是每次按自己的方向移动一格。这样，装置的输出频率也是稳定的。

本发明电路结构简单，输出的交流电的波形为纯正弦波，输出的电压和频率稳定，不会随输入电压和负载的变化而变化。

Claims (8)

1、数字式纯正弦波逆变装置，其特征在于，包括一输入电路、一控制电路、一逆变电路、和一滤波电路、以及一输出电路；所述的逆变电路的一个输入端通过输入电路连接直流电压，该逆变电路的另一个输入端与控制电路的输出端连接，逆变电路的输出端连接滤波电路，该滤波电路的输出端通过输出电路输出交流电压；该从滤波电路输出的交流电压反馈到控制电路的输入端，其中，

所述的控制电路包括采样单元、比较单元、函数幅度选择单元、驱动单元、以及波形函数单元和基准电压发生器；所述的采样单元的输入端与输出电路输出的交流电连接；所述的采样单元、比较单元及函数幅度选择单元顺序连接；所述的函数幅度选择单元和波形函数单元的输出端与驱动单元的输入端连接；所述的驱动单元的输出端与所述逆变电路的所述另一个输入端连接；所述的基准电压发生器的输出端与比较单元的另一个输入端连接。

2、根据权利要求1所述的数字式纯正弦波逆变装置，其特征在于，所述的控制电路由一单片机构成。

3、根据权利要求1所述的数字式纯正弦波逆变装置，其特征在于，所述的逆变电路由桥式电路构成；通过周期性地改变各桥臂通断的时间，可以输出波形为纯正弦波的交流电；各桥臂通断的时间可以由一个存在单片机程序存储器里的正弦函数表来得到。

4、根据权利要求3所述的数字式纯正弦波逆变装置，其特征在于，所述的逆变电路由相互并联的两对场效应管构成，每对场效应管的源极和漏极相连接，该连接点输出与滤波电路连接。

5、根据权利要求1所述的数字式纯正弦波逆变装置，其特征在于，所述的滤波电路由两个电感和并联在该两个电感输出端的电容构成。

6、数字式纯正弦波逆变方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将直流电压输入到逆变电路产生高频的PWM波形，然后通过滤波单元将高频部分滤掉，剩下低频的正弦波部分，通过交流输出送出；

b、交流输出送出的交流电压反馈到控制电路的采样单元，该采样单元对输出电压进行采样，然后由比较单元对采样电压与基准电压进行比较；

c、函数幅度选择单元根据比较单元得出的结果选择合适幅度的正弦函数数据表格送到驱动单元；其中，

所述的函数幅度选择单元包括一个函数幅度指针变量和两个函数表内指针变量；所述的函数幅度指针变量根据比较单元得出的结果改变，它的每一个数值对应波形函数单元中的每一个不同幅度的正弦函数；另两个函数表内指针变量受到每个正弦函数表中数据的个数所约束，其中一个首先表示正弦函数表中的第一个数据，然后表示第二个，直到它表示最后一个数据后，再反方向表示倒数第二个，相继表示倒数第三个，直到它表示第一个数据后，再重复上面的动作；另一个变量与它正好互补，首先表示正弦函数表中的最后一个数据，然后表示倒数第二个，其改变方法是相同的；

d、波形函数单元存放着各种幅度的正弦函数的每一点的数据；并将这些数据逐个送到驱动单元；

e、驱动单元的输出连接逆变电路，使逆变电路通过两组PWM信号的驱动，产生高频的PWM波形，这个波形经滤波单元滤波后，产生纯正弦波形的交流输出。

7、根据权利要求6所述的数字式纯正弦波逆变方法，其特征在于，步骤d所述的波形函数单元按顺序存下多个正弦函数表，每张表格按顺序减小或者增加正弦函数的幅度。

8、根据权利要求6所述的数字式纯正弦波逆变方法，其特征在于，步骤a所述的逆变电路是一个桥式电路，通过周期性地改变各桥臂通断的时间，可以输出波形为纯正弦波的交流电；各桥臂通断的时间可以由波形函数单元存储的正弦函数表来得到。

Images