单相PWM逆变器控制设计

单相PWM逆变器控制技术：从开环到闭环的工程实践

在家庭光伏系统、便携式储能电源甚至小型UPS中，我们常常需要将电池或太阳能板输出的直流电转换为稳定的交流电。这个看似简单的功能背后，其实隐藏着一套精密的电力电子控制系统——单相PWM逆变器。它不仅是DC/AC变换的核心，更是决定输出电压质量、效率和可靠性的关键所在。

而在这类系统设计中，一个最根本的问题摆在工程师面前：该用开环还是闭环控制？这个问题的答案，往往决定了整个系统的成本、性能边界以及适用场景。

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要理解这两种控制方式的本质差异，得先回到PWM调制本身。脉宽调制（Pulse Width Modulation）并不是什么新概念，但它的巧妙之处在于，通过高速开关动作，让一组离散的脉冲信号在滤波后“合成”出一个接近正弦波的连续电压。实现方式说起来简单：把一个正弦参考波和高频三角载波进行比较，每当正弦值高于载波时就导通开关，否则关断。这样生成的脉冲序列，其平均电压随时间变化正好符合正弦规律。

不过，这种理想情况只存在于理论中。现实中，输入电压会波动，负载可能突然接入一台电机，温度变化还会导致元件参数漂移。如果控制器对这些扰动“视而不见”，那再完美的调制算法也难以维持高质量输出。

这就引出了开环与闭环的根本分歧。

开环控制就像一位严格按照乐谱演奏的钢琴家——无论环境如何变化，它都忠实地复现预设的波形。通常做法是，在微控制器内部建立一张正弦查找表，每个中断周期取出一个点作为DAC输出，再与固定载波比较产生PWM信号。代码实现非常简洁：

const uint16_t sine_table[360] = { /* 0°~359°对应的幅值 */ };

void Generate_OpenLoop_PWM(int angle_step) {
    static int phase = 0;
    HAL_DAC_SetValue(&hdac, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, sine_table[phase]);
    phase = (phase + angle_step) % 360;
}

这段代码每100μs执行一次，更新一次参考电压，驱动H桥工作。结构轻巧，资源占用少，非常适合STM32G0这类低端MCU或ESP32等低成本平台。但它也有致命弱点：一旦输入电压下降10%，或者接上感性负载，输出幅度立刻跟着掉下来，没有任何补偿能力。更麻烦的是，LC滤波器本身的压降也会被忽略，导致空载时电压偏高，满载时又偏低。

相比之下，闭环控制更像是经验丰富的指挥家，时刻监听乐队的实际演奏效果，并动态调整节拍和力度。它通过电阻分压网络采样输出电压，经ADC读取后送入数字PI调节器，与软件生成的参考值做差，再根据误差实时修正PWM占空比。

核心逻辑可以用一个增量式PI控制器来体现：

float PI_Update(PI_Controller *pi, float feedback) {
    pi->error = pi->ref - pi->fb;

    pi->out += pi->Kp * (pi->error - pi->prev_error) + pi->Ki * pi->error;

    // 限幅防止溢出
    if (pi->out > MAX_DUTY) pi->out = MAX_DUTY;
    if (pi->out < MIN_DUTY) pi->out = MIN_DUTY;

    pi->prev_error = pi->error;
    return pi->out;
}

这个看似简单的几行代码，却赋予了系统强大的抗干扰能力。当负载突增导致电压下跌时，PI控制器能迅速增大占空比，把电压拉回设定值；即使输入电压缓慢衰减，积分项也能逐步累积修正量，最终消除静态误差。

当然，闭环也不是万能的。引入反馈意味着增加了ADC采样、计算延迟和稳定性分析的复杂度。尤其是PI参数整定，$ K_p $太大容易振荡，$ K_i $太强则响应迟缓甚至积分饱和。实践中建议采用前向欧拉法离散化，并加入抗饱和机制：

// 抗积分饱和判断
if ((pi->out >= MAX_DUTY && pi->error > 0) || 
    (pi->out <= MIN_DUTY && pi->error < 0)) {
    // 处于饱和区时不累加积分项
} else {
    pi->out += pi->Ki * pi->error;
}

这样的小技巧能在大信号扰动下避免控制器“死机”。

支撑这一切运行的，是经典的H桥拓扑。四个开关管组成全桥结构，通过对角导通实现正负半周切换。比如S1和S4导通形成正向通路，S2和S3导通则反向输出。这里最关键的细节之一就是 死区时间 ——必须在上下桥臂切换之间插入一段微秒级的关闭间隔，防止直通短路。一般设置为1–1.5 μs较为稳妥，太短有炸管风险，太长则会引起低频谐波畸变，尤其在低功率输出时更为明显。

而在硬件层面，驱动隔离也不容忽视。像TI的UCC21520这类隔离栅极驱动芯片不仅能提供电气隔离，还能增强驱动能力，确保MOSFET快速开通关断，降低开关损耗。对于500W以下的应用，MOSFET因其高频特性成为首选；更高功率场合则多用IGBT，尽管其开关速度慢些，但耐压和电流能力更强。

至于滤波器设计，LC环节直接决定了最终波形质量。截止频率应远高于基波（如50Hz），又远低于PWM载波（通常选10–20kHz）。一个典型的设计目标是让 $ f_c \approx 500\,\text{Hz} $，即：

$$
f_c = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
$$

电感宜选用铁硅铝或非晶磁芯以减少铁损，电容则推荐金属膜电容，因其具有良好的耐纹波能力和长寿命。实际调试中，可通过示波器观察滤波前后波形，并借助FFT分析THD（总谐波失真）。优质闭环系统的THD可控制在3%以内，完全满足家用电器供电要求。

仿真环节往往是项目启动的第一步。MATLAB/Simulink提供了完整的建模环境，可以搭建包含DC源、H桥、LC滤波、负载及数字控制器在内的联合仿真模型。重点验证几个工况：
- 开环下不同负载时的电压波动；
- 闭环在突加额定负载后的恢复时间；
- 输入电压跌落时的稳压能力；
- 输出波形FFT分析，确认主要谐波集中在开关频率附近，便于滤除。

值得一提的是，采样时机的选择也极为关键。最佳实践是在PWM周期中点进行ADC采样，此时开关噪声最小，测量最准确。配合DMA传输，可进一步减轻CPU负担，提升实时性。

此外，任何实用系统都不能缺少保护机制。过压、过流、过热等故障必须能够触发硬件级PWM封锁（Break功能），立即切断输出，避免事故扩大。这部分通常由MCU内置的故障输入引脚（如STM32的BKIN）配合外部比较器实现，响应时间可达纳秒级。

回头来看，开环与闭环的选择本质上是一场 性能与成本的权衡 。如果你做的是一款简易移动电源，负载稳定且允许±10%的电压波动，那开环完全够用；但如果是用于医疗设备、精密仪器或并网接口，就必须采用闭环控制，哪怕多花几块钱元器件成本，也要换来毫伏级的稳压精度和快速动态响应。

有意思的是，随着数字控制芯片的普及，越来越多原本属于高端系统的特性正在下沉。如今连一些百元级别的逆变模块也开始集成数字PI算法，甚至支持PID自整定。这背后正是C2000系列DSP、STM32F4/F7等高性能MCU推动的结果——它们不仅具备浮点运算单元，还集成了专用PWM定时器、多通道同步ADC和事件触发机制，极大简化了闭环系统的开发难度。

未来的发展趋势也很清晰：控制策略会更加智能化。例如基于观测器的无传感器控制、自适应PI参数调节、甚至引入模糊逻辑或神经网络优化动态响应。但在当下，掌握好基础的SPWM调制、H桥驱动、PI设计和系统保护，依然是每一个电力电子工程师的立身之本。

某种意义上，单相逆变器就像是电力电子世界的“Hello World”程序。它不复杂，却涵盖了模数混合、功率变换、实时控制等多个维度的知识交汇。无论是学生做毕业设计，还是工程师开发工业产品，从这里出发，都能一步步深入到更广阔的能源变换领域。

当你第一次看到自己写的代码让滤波后的示波器波形变得平滑纯净时，那种成就感，或许正是嵌入式控制的魅力所在。