使用Arduino制作一个简单的纯正弦波逆变器

　　在无法从电网获得交流电源的情况下，通常需要逆变器电路。逆变器电路用于将直流电转换为交流电，可分为纯正弦波逆变器和改进方波逆变器两种类型。这些纯正弦波逆变器非常昂贵，而改进的方波逆变器价格低廉。在此处了解有关 不同类型逆变器的更多信息 。在这篇文章中，我将使用Arduino制作一个简单的纯正弦波逆变器，并解释电路的工作原理。

　　什么是 SPWM（正弦脉冲宽度调制）？

　　顾名思义，SPWM代表S正弦脉冲宽度调制。_ 您可能已经知道，PWM 信号是一种信号，我们可以在其中改变脉冲的频率以及开启时间和关闭时间，也称为占空比。如果您想了解有关 PWM的更多信息，可以在此处阅读。因此，通过改变占空比，我们改变了脉冲的平均电压。下图显示——

　　如果我们考虑一个在 0-5V 之间切换且占空比为 100%的PWM 信号，我们将获得 5V 的平均输出电压，同样如果我们考虑占空比为 50% 的相同信号，我们将得到2.5V 的输出电压，对于 25% 的占空比，它是那个的一半。总结了PWM信号的基本原理，接下来我们就可以了解SPWM信号的基本原理了。

　　正弦电压主要是一种模拟电压，它会随着时间的推移改变其幅度，我们可以通过不断改变 PWM 波的占空比来重现正弦波的这种行为，下图显示了这一点。

　　如果您查看下面的示意图，它将看到在变压器的输出端连接了一个电容器。该电容器负责从载波频率中平滑交流信号。

　　利用的输入信号将根据输入信号 和负载对电容器进行充电和放电。由于我们使用了一个非常高频的SPWM信号，它会有一个非常小的占空比，大概是1%，这个1%的占空比会给电容充电一点，下一个占空比是5%，这会再次充电电容器再多一点，接下来的脉冲将有 10% 的占空比，电容器将再充电一点，我们将施加信号，直到我们达到100% 的占空比，然后从那里返回到 1%。这将在输出端创建一个非常平滑的曲线，如正弦波。 因此，通过在输入端提供适当的占空比值，我们将在输出端获得非常正弦的波形。

　　SPWM 逆变器的工作原理

　　上图显示了 SPWM 逆变器的主要驱动部分，如您所见，我们使用了两个半桥配置的N 沟道 MOSFET来驱动该电路的变压器，以减少不必要的开关噪声并保护 MOSFET ，我们使用了与 MOSFET 并联的 1N5819 二极管。为了减少栅极部分产生的任何有害尖峰，我们使用了与 1N4148 二极管并联的 4.7 欧姆电阻。最后，BD139 和 BD 140 晶体管配置为推挽式配置 驱动 MOSFET 的栅极，因为该 MOSFET 具有非常高的栅极电容，并且基极需要至少 10V 才能正常开启。在此处了解有关推挽式放大器工作原理的更多信息。

　　为了更好地理解电路的工作原理，我们将其缩小到 MOSFET 的这一部分为 ON 的程度。当MOSFET导通电流时，先流过变压器，然后被MOSFET接地，这样在电流流动的方向上也会感应出磁通量，变压器的铁芯会通过磁通量在次级绕组中，我们将在输出端获得正弦信号的正半周期。

　　在下一个循环中，电路的底部在电路的顶部，这就是我移除顶部的原因，现在电流以相反的方向流动并在该方向产生磁通量，从而反转磁芯中磁通量的方向。在此处了解有关MOSFET工作原理的更多信息。

　　现在，我们都知道变压器是靠磁通量变化来工作的。因此，打开和关闭 MOSFET，一个倒置到另一个并在一秒钟内执行 50 次，将在变压器铁芯内产生良好的振荡磁通量，而变化的磁通量将在次级线圈中感应出电压，如我们知道法拉第定律。这就是基本逆变器的工作原理。

　　该项目中使用的完整SPWM 逆变器电路如下所示。

　　构建 SPWM 逆变器所需的组件

　　SPWM逆变器电路结构

　　对于这个演示，电路是在 Veroboard 上构建的，借助原理图，在变压器的输出端，会有大量的电流流过连接，因此连接跳线需要尽可能厚。

　　SPWM逆变器的Arduino程序

　　在我们开始理解代码之前，让我们先弄清楚基础知识。通过以上工作原理，您已经了解了PWM 信号在输出端的样子，现在的问题是我们如何在 Arduino 的输出引脚上产生如此变化的波形。

　　为了产生变化的 PWM 信号，我们将使用16 位定时器 1 ，预分频器设置为 1，如果我们考虑正弦波的单个半周期，这将为每个计数提供 1600/16000000 = 0.1ms 时间，在波的半个周期内恰好适合 100 次。简单来说，我们将能够对正弦波进行 200 次采样。

　　接下来，我们必须将我们的正弦波分成 200 段，并根据幅度的相关性计算它们的值。接下来，我们必须将这些值与计数器限制相乘，将其转换为定时器计数器值。最后，我们必须将这些值放入查找表中以将其提供给计数器，我们将获得正弦波。

　　为了让事情更简单一点，我使用了一个来自GitHub的非常好的 SPWM 代码，它是由Kurt Hutten编写的。

　　代码很简单，我们通过添加所需的头文件开始我们的程序

#include 
#include 

接下来，我们有两个查找表，我们将从中获取计时器计数器值。

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};

接下来，在设置部分，我们初始化定时器计数器控制寄存器以清除每个寄存器。如需更多信息，您需要查看 atmega328 IC 的数据表。

    TCCR1A = 0b10100010；
       /*10 匹配时清除，为 compA 设置为 BOTTOM。
         10 在比赛中清除，在底部设置为 compB。
         00
         10 WGM1 1:0 用于波形 15。
       */
    TCCR1B = 0b00011001；
       /*000
         11 WGM1 3:2 用于波形 15。
         001 计数器上没有预分频器。
       */
    TIMSK1 = 0b00000001；
       /*0000000
         1 TOV1 标志中断使能。
       */

之后，我们使用预定义的值 16000 初始化输入捕获寄存器，因为这将帮助我们准确生成 200 个样本。

ICR1 = 1600；// 16MHz 晶体的周期，对于每 50Hz 正弦波周期 200 次细分的 100KHz 开关频率。

接下来，我们通过调用函数来启用全局中断，

sei();

最后，我们将 Arduino 引脚 9 和 10 设置为输出

DDRB = 0b00000110；// 将 PB1 和 PB2 设置为输出。

这标志着 setup 函数的结束。

代码的循环部分保持空白，因为它是一个定时器计数器中断驱动程序。

无效循环（）{；/*没做什么 。. . . 永远！*/}

接下来，我们定义了 timer1 溢出向量，一旦 timer1 溢出并产生中断，这个中断函数就会被调用。

ISR（TIMER1_OVF_vect）{

接下来，我们将一些局部变量声明为静态变量，并开始将这些值提供给捕获和比较电阻器。

静态整数；
静态字符触发；
// 每个周期改变占空比。
OCR1A = 查找1[编号]；
OCR1B = 查找2[编号]；

最后，我们预先增加计数器以将下一个值提供给捕获和比较电阻器，这标志着这段代码的结束。

if(++num >= 200){ // 预先增加 num 然后检查它是否低于 200。
       数 = 0; // 重置号码
       触发=触发^0b00000001；
       数字写入（13，触发）；
     }

　　测试 TL494 PWM 逆变器电路

　　为了测试电路，使用以下设置。

　　12V铅酸电池。

　　具有 6-0-6 抽头和 12-0-12 抽头的变压器

　　100W白炽灯泡作为负载

　　Meco 108B+TRMS 万用表

　　Meco 450B+TRMS 万用表

　　来自 Arduino 的输出信号：

　　一旦我上传了代码。我测量了Arduino两个引脚的输出 SPWM 信号，如下图所示，

　　如果我们稍微放大一点，我们可以看到 PWM 波不断变化的占空比。

　　接下来，下图显示了变压器的输出信号。

　　理想状态下的 SPWM 逆变器电路：

　　从上图中可以看出，该电路在理想运行时消耗约 13W

　　无负载输出电压：

　　逆变器电路的输出电压如上图所示，这是在没有任何负载的情况下输出的电压。

　　输入功耗：

　　上图显示了连接 40W 负载时 ic 消耗的输入功率。

　　输出功耗：

　　上图显示了该电路消耗的输出功率，（负载为 40W 白炽灯泡）
 

/*
* sPWMv2.c
*
* 创建时间：2014 年 12 月 31 日下午 3:44:43
* 作者：库尔特·赫顿
arduino Uno 的 atMega328 上的 SPWM，可能与其他 atmel 芯片/arduino 板兼容。
比较输出 A 和 B 输出到 PORTB 引脚 1 和 2，它们分别是 Uno 上的引脚 9 和 10。
了解 Uno 上的 LED 也很有用，它是 PORTB 上的引脚 5。
*/
#include
#include
// 查找每个有 200 个条目的表，标准化为最大值 1600，这是加载到寄存器 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};
无效设置（）{
// 寄存器初始化，更多细节参见数据表。
TCCR1A = 0b10100010；
/*10 匹配时清除，为 compA 设置为 BOTTOM。
10 在比赛中清除，在底部设置为 compB。
00
10 WGM1 1:0 用于波形 15。
*/
TCCR1B = 0b00011001；
/*000
11 WGM1 3:2 用于波形 15。
001 计数器上没有预分频器。
*/
TIMSK1 = 0b00000001；
/*0000000
1 TOV1 标志中断使能。
*/
ICR1 = 1600；// 16MHz 晶体的周期，对于每 50Hz 正弦波周期 200 次细分的 100KHz 开关频率。
sei(); // 启用全局中断。
DDRB = 0b00000110；// 将 PB1 和 PB2 设置为输出。
pinMode（13，输出）；
}
无效循环（）{；/*没做什么 。. . . 永远！*/}
ISR（TIMER1_OVF_vect）{
静态整数；
静态字符触发；
// 每个周期改变占空比。
OCR1A = 查找1[编号]；
OCR1B = 查找2[编号]；
if(++num >= 200){ // 预先增加 num 然后检查它是否低于 200。
数 = 0; // 重置号码
触发=触发^0b00000001；
数字写入（13，触发）；
}
}