使用Arduino制作一個簡單的純正弦波逆變器

　　在無法從電網獲得交流電源的情況下，通常需要逆變器電路。逆變器電路用于將直流電轉換為交流電，可分為純正弦波逆變器和改進方波逆變器兩種類型。這些純正弦波逆變器非常昂貴，而改進的方波逆變器價格低廉。在此處了解有關 不同類型逆變器的更多信息 。在這篇文章中，我將使用Arduino制作一個簡單的純正弦波逆變器，并解釋電路的工作原理。

　　什么是 SPWM（正弦脈沖寬度調制）？

　　顧名思義，SPWM代表S正弦脈沖寬度調制。_ 您可能已經知道，PWM 信號是一種信號，我們可以在其中改變脈沖的頻率以及開啟時間和關閉時間，也稱為占空比。如果您想了解有關 PWM的更多信息，可以在此處閱讀。因此，通過改變占空比，我們改變了脈沖的平均電壓。下圖顯示——

　　如果我們考慮一個在 0-5V 之間切換且占空比為 100%的PWM 信號，我們將獲得 5V 的平均輸出電壓，同樣如果我們考慮占空比為 50% 的相同信號，我們將得到2.5V 的輸出電壓，對于 25% 的占空比，它是那個的一半?？偨Y了PWM信號的基本原理，接下來我們就可以了解SPWM信號的基本原理了。

　　正弦電壓主要是一種模擬電壓，它會隨著時間的推移改變其幅度，我們可以通過不斷改變 PWM 波的占空比來重現正弦波的這種行為，下圖顯示了這一點。

　　如果您查看下面的示意圖，它將看到在變壓器的輸出端連接了一個電容器。該電容器負責從載波頻率中平滑交流信號。

　　利用的輸入信號將根據輸入信號 和負載對電容器進行充電和放電。由于我們使用了一個非常高頻的SPWM信號，它會有一個非常小的占空比，大概是1%，這個1%的占空比會給電容充電一點，下一個占空比是5%，這會再次充電電容器再多一點，接下來的脈沖將有 10% 的占空比，電容器將再充電一點，我們將施加信號，直到我們達到100% 的占空比，然后從那里返回到 1%。這將在輸出端創建一個非常平滑的曲線，如正弦波。 因此，通過在輸入端提供適當的占空比值，我們將在輸出端獲得非常正弦的波形。

　　SPWM 逆變器的工作原理

　　上圖顯示了 SPWM 逆變器的主要驅動部分，如您所見，我們使用了兩個半橋配置的N 溝道 MOSFET來驅動該電路的變壓器，以減少不必要的開關噪聲并保護 MOSFET ，我們使用了與 MOSFET 并聯的 1N5819 二極管。為了減少柵極部分產生的任何有害尖峰，我們使用了與 1N4148 二極管并聯的 4.7 歐姆電阻。最后，BD139 和 BD 140 晶體管配置為推挽式配置 驅動 MOSFET 的柵極，因為該 MOSFET 具有非常高的柵極電容，并且基極需要至少 10V 才能正常開啟。在此處了解有關推挽式放大器工作原理的更多信息。

　　為了更好地理解電路的工作原理，我們將其縮小到 MOSFET 的這一部分為 ON 的程度。當MOSFET導通電流時，先流過變壓器，然后被MOSFET接地，這樣在電流流動的方向上也會感應出磁通量，變壓器的鐵芯會通過磁通量在次級繞組中，我們將在輸出端獲得正弦信號的正半周期。

　　在下一個循環中，電路的底部在電路的頂部，這就是我移除頂部的原因，現在電流以相反的方向流動并在該方向產生磁通量，從而反轉磁芯中磁通量的方向。在此處了解有關MOSFET工作原理的更多信息。

　　現在，我們都知道變壓器是靠磁通量變化來工作的。因此，打開和關閉 MOSFET，一個倒置到另一個并在一秒鐘內執行 50 次，將在變壓器鐵芯內產生良好的振蕩磁通量，而變化的磁通量將在次級線圈中感應出電壓，如我們知道法拉第定律。這就是基本逆變器的工作原理。

　　該項目中使用的完整SPWM 逆變器電路如下所示。

　　構建 SPWM 逆變器所需的組件

　　SPWM逆變器電路結構

　　對于這個演示，電路是在 Veroboard 上構建的，借助原理圖，在變壓器的輸出端，會有大量的電流流過連接，因此連接跳線需要盡可能厚。

　　SPWM逆變器的Arduino程序

　　在我們開始理解代碼之前，讓我們先弄清楚基礎知識。通過以上工作原理，您已經了解了PWM 信號在輸出端的樣子，現在的問題是我們如何在 Arduino 的輸出引腳上產生如此變化的波形。

　　為了產生變化的 PWM 信號，我們將使用16 位定時器 1 ，預分頻器設置為 1，如果我們考慮正弦波的單個半周期，這將為每個計數提供 1600/16000000 = 0.1ms 時間，在波的半個周期內恰好適合 100 次。簡單來說，我們將能夠對正弦波進行 200 次采樣。

　　接下來，我們必須將我們的正弦波分成 200 段，并根據幅度的相關性計算它們的值。接下來，我們必須將這些值與計數器限制相乘，將其轉換為定時器計數器值。最后，我們必須將這些值放入查找表中以將其提供給計數器，我們將獲得正弦波。

　　為了讓事情更簡單一點，我使用了一個來自GitHub的非常好的 SPWM 代碼，它是由Kurt Hutten編寫的。

　　代碼很簡單，我們通過添加所需的頭文件開始我們的程序

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#include 
#include 

?

接下來，我們有兩個查找表，我們將從中獲取計時器計數器值。

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int lookUp1[] = {50 ,100 ,151 ,201 ,250 ,300 ,349 ,398 ,446 ,494 ,542 ,589 ,635 ,681 ,726 ,771 ,814 ,857 ,899 ,940 ,981 ,1020 , 1058 ,1095 ,1131 ,1166 ,1200 ,1233 ,1264 ,1294 ,1323 ,1351 ,1377 ,1402 ,1426 ,1448 ,1468 ,1488 ,1505 ,1522 ,1536 ,1550 ,1561 ,1572 ,1580 ,1587 ,1593 , 1597 ,1599 ,1600 ,1599 ,1597 ,1593 ,1587 ,1580 ,1572 ,1561 ,1550 ,1536 ,1522 ,1505 ,1488 ,1468 ,1448 ,1426 ,1402 ,1377 ,1351 ,1323 ,1294 ,1264 ,1233 , 1200 ,1166 ,1131 ,1095 ,1058 ,1020 ,981 ,940 ,899 ,857 ,814 ,771 ,726 ,681 ,635 ,589 ,542 ,494 ,446 ,398 ,349 ,300 ,5,250 ,201 , 100 ,50 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0};
int lookUp2[] = {0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,50 ,100 ,151 ,201 ,250 ,300 ,349 ,398 ,446 ,494 ,542 ,589 ,635 ,681 ,726 ,771 ,814 ,857 ,899 ,940 ,981 ,1020 , 1058 ,1095 ,1131 ,1166 ,1200 ,1233 ,1264 ,1294 ,1323 ,1351 ,1377 ,1402 ,1426 ,1448 ,1468 ,1488 ,1505 ,1522 ,1536 ,1550 ,1561 ,1572 ,1580 ,1587 ,1593 , 1597 ,1599 ,1600 ,1599 ,1597 ,1593 ,1587 ,1580 ,1572 ,1561 ,1550 ,1536 ,1522 ,1505 ,1488 ,1468 ,1448 ,1426 ,1402 ,1377 ,1351 ,1323 ,1294 ,1264 ,1233 , 1200 ,1166 ,1131 ,1095 ,1058 ,1020 ,981 ,940 ,899 ,857 ,814 ,771 ,726 ,681 ,635 ,589 ,542 ,494 ,446 ,398 ,349 ,300 ,5,250 ,201 ,100 ,50 ,0};

?

接下來，在設置部分，我們初始化定時器計數器控制寄存器以清除每個寄存器。如需更多信息，您需要查看 atmega328 IC 的數據表。

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    TCCR1A = 0b10100010；
       /*10 匹配時清除，為 compA 設置為 BOTTOM。
         10 在比賽中清除，在底部設置為 compB。
         00
         10 WGM1 1:0 用于波形 15。
       */
    TCCR1B = 0b00011001；
       /*000
         11 WGM1 3:2 用于波形 15。
         001 計數器上沒有預分頻器。
       */
    TIMSK1 = 0b00000001；
       /*0000000
         1 TOV1 標志中斷使能。
       */

?

之后，我們使用預定義的值 16000 初始化輸入捕獲寄存器，因為這將幫助我們準確生成 200 個樣本。

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ICR1 = 1600；// 16MHz 晶體的周期，對于每 50Hz 正弦波周期 200 次細分的 100KHz 開關頻率。

?

接下來，我們通過調用函數來啟用全局中斷，

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sei();

?

最后，我們將 Arduino 引腳 9 和 10 設置為輸出

?

DDRB = 0b00000110；// 將 PB1 和 PB2 設置為輸出。

?

這標志著 setup 函數的結束。

代碼的循環部分保持空白，因為它是一個定時器計數器中斷驅動程序。

?

無效循環（）{；/*沒做什么 。. . . 永遠！*/}

?

接下來，我們定義了 timer1 溢出向量，一旦 timer1 溢出并產生中斷，這個中斷函數就會被調用。

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ISR（TIMER1_OVF_vect）{

?

接下來，我們將一些局部變量聲明為靜態變量，并開始將這些值提供給捕獲和比較電阻器。

?

靜態整數；
靜態字符觸發；
// 每個周期改變占空比。
OCR1A = 查找1[編號]；
OCR1B = 查找2[編號]；

?

最后，我們預先增加計數器以將下一個值提供給捕獲和比較電阻器，這標志著這段代碼的結束。

?

if(++num >= 200){ // 預先增加 num 然后檢查它是否低于 200。
       數 = 0; // 重置號碼
       觸發=觸發^0b00000001；
       數字寫入（13，觸發）；
     }

?

　　測試 TL494 PWM 逆變器電路

　　為了測試電路，使用以下設置。

　　12V鉛酸電池。

　　具有 6-0-6 抽頭和 12-0-12 抽頭的變壓器

　　100W白熾燈泡作為負載

　　Meco 108B+TRMS 萬用表

　　Meco 450B+TRMS 萬用表

　　來自 Arduino 的輸出信號：

　　一旦我上傳了代碼。我測量了Arduino兩個引腳的輸出 SPWM 信號，如下圖所示，

　　如果我們稍微放大一點，我們可以看到 PWM 波不斷變化的占空比。

　　接下來，下圖顯示了變壓器的輸出信號。

　　理想狀態下的 SPWM 逆變器電路：

　　從上圖中可以看出，該電路在理想運行時消耗約 13W

　　無負載輸出電壓：

　　逆變器電路的輸出電壓如上圖所示，這是在沒有任何負載的情況下輸出的電壓。

　　輸入功耗：

　　上圖顯示了連接 40W 負載時 ic 消耗的輸入功率。

　　輸出功耗：

　　上圖顯示了該電路消耗的輸出功率，（負載為 40W 白熾燈泡）
?

/*
* sPWMv2.c
*
* 創建時間：2014 年 12 月 31 日下午 3:44:43
* 作者：庫爾特·赫頓
arduino Uno 的 atMega328 上的 SPWM，可能與其他 atmel 芯片/arduino 板兼容。
比較輸出 A 和 B 輸出到 PORTB 引腳 1 和 2，它們分別是 Uno 上的引腳 9 和 10。
了解 Uno 上的 LED 也很有用，它是 PORTB 上的引腳 5。
*/
#include
#include
// 查找每個有 200 個條目的表，標準化為最大值 1600，這是加載到寄存器 ICR1 的 PWM 周期。
int lookUp1[] = {50 ,100 ,151 ,201 ,250 ,300 ,349 ,398 ,446 ,494 ,542 ,589 ,635 ,681 ,726 ,771 ,814 ,857 ,899 ,940 ,981 ,1020 , 1058 ,1095 ,1131 ,1166 ,1200 ,1233 ,1264 ,1294 ,1323 ,1351 ,1377 ,1402 ,1426 ,1448 ,1468 ,1488 ,1505 ,1522 ,1536 ,1550 ,1561 ,1572 ,1580 ,1587 ,1593 , 1597 ,1599 ,1600 ,1599 ,1597 ,1593 ,1587 ,1580 ,1572 ,1561 ,1550 ,1536 ,1522 ,1505 ,1488 ,1468 ,1448 ,1426 ,1402 ,1377 ,1351 ,1323 ,1294 ,1264 ,1233 , 1200 ,1166 ,1131 ,1095 ,1058 ,1020 ,981 ,940 ,899 ,857 ,814 ,771 ,726 ,681 ,635 ,589 ,542 ,494 ,446 ,398 ,349 ,300 ,5,250 ,201 , 100 ,50 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0};
int lookUp2[] = {0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 ,0 , 0 ,0 ,0 ,50 ,100 ,151 ,201 ,250 ,300 ,349 ,398 ,446 ,494 ,542 ,589 ,635 ,681 ,726 ,771 ,814 ,857 ,899 ,940 ,981 ,1020 , 1058 ,1095 ,1131 ,1166 ,1200 ,1233 ,1264 ,1294 ,1323 ,1351 ,1377 ,1402 ,1426 ,1448 ,1468 ,1488 ,1505 ,1522 ,1536 ,1550 ,1561 ,1572 ,1580 ,1587 ,1593 , 1597 ,1599 ,1600 ,1599 ,1597 ,1593 ,1587 ,1580 ,1572 ,1561 ,1550 ,1536 ,1522 ,1505 ,1488 ,1468 ,1448 ,1426 ,1402 ,1377 ,1351 ,1323 ,1294 ,1264 ,1233 , 1200 ,1166 ,1131 ,1095 ,1058 ,1020 ,981 ,940 ,899 ,857 ,814 ,771 ,726 ,681 ,635 ,589 ,542 ,494 ,446 ,398 ,349 ,300 ,5,250 ,201 ,100 ,50 ,0};
無效設置（）{
// 寄存器初始化，更多細節參見數據表。
TCCR1A = 0b10100010；
/*10 匹配時清除，為 compA 設置為 BOTTOM。
10 在比賽中清除，在底部設置為 compB。
00
10 WGM1 1:0 用于波形 15。
*/
TCCR1B = 0b00011001；
/*000
11 WGM1 3:2 用于波形 15。
001 計數器上沒有預分頻器。
*/
TIMSK1 = 0b00000001；
/*0000000
1 TOV1 標志中斷使能。
*/
ICR1 = 1600；// 16MHz 晶體的周期，對于每 50Hz 正弦波周期 200 次細分的 100KHz 開關頻率。
sei(); // 啟用全局中斷。
DDRB = 0b00000110；// 將 PB1 和 PB2 設置為輸出。
pinMode（13，輸出）；
}
無效循環（）{；/*沒做什么 。. . . 永遠！*/}
ISR（TIMER1_OVF_vect）{
靜態整數；
靜態字符觸發；
// 每個周期改變占空比。
OCR1A = 查找1[編號]；
OCR1B = 查找2[編號]；
if(++num >= 200){ // 預先增加 num 然后檢查它是否低于 200。
數 = 0; // 重置號碼
觸發=觸發^0b00000001；
數字寫入（13，觸發）；
}
}

?