インバータ実現
インバータは、直流を交流に変換する装置の総称です。 インバータの反対の操作である、交流から直流に変換する 装置の総称が、コンバータです。 +12V電池からAC100Vを生成する電源回路もインバータです。 このインバータは非常に簡単で、次のブロック図と回路図に なります。電池、発振部分、波形生成器があれば、インバータは実現できます。 発振部分をマイクロコンピュータで実現するのは、 後で、いろいろとカラクリを入れられるからです。 このインバータで出力できるAC100Vの波形は、矩形波です。 マイコン出力波形と波形生成器のタイミングチャートは 次のようになります。
マイコンからパルスを出力するファームウエアは、簡単で 使ったファームウエアのソースコードは、以下です。 #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> #define OFF 0 #define ON OFF+1 #define MASK3F 0x3F #define MASK01 0x01 #define MASK03 0x03 #define MASK40 0x40 #define CNT50 198 #define CNT60 165 typedef unsigned char UBYTE ; typedef unsigned short UWORD ; typedef signed char SBYTE ; typedef signed short SWORD ; volatile UBYTE tflag ; volatile UBYTE state ; volatile UBYTE bport ; volatile UBYTE cntx ; volatile UBYTE tmp ; /*--------------------------------*/ /* Insert user functions protoype */ /*--------------------------------*/ void user_initialize(void); /*------*/ /* main */ /*------*/ int main(void) { /* initialize port and variables */ user_initialize(); /* enable interrupt */ sei(); /* endless loop */ while ( ON ) { /* select frequency ? 50Hz / 60 Hz */ tmp = PIND ; /* handling */ if ( tflag ) { /* clear flag */ tflag = OFF ; /* state control */ switch ( state ) { case 0 : /* impress pulse */ bport ^= MASK03 ; PORTB = bport ; /* select frequency */ cntx = CNT50 ; if ( tmp & MASK40 ) { cntx = CNT60 ; } state = 1 ; break ; case 1 : /* sustine */ if ( cntx == 0 ) { state = 3 ; } else { cntx-- ; } break ; case 3 : /* dead time */ PORTB = 0x00 ; state = 2 ; break ; case 2 : /* return first state */ state = 0 ; break ; default : state = 0 ; break ; } } } /* dummy */ return 0 ; } /*-----------------------*/ /* Insert user functions */ /*-----------------------*/ void user_initialize(void) { /* PORT B */ PORTB = 0b00000000 ; /* 00000000 */ DDRB = 0b11111111 ; /* oooooooo */ /* PORT D */ PORTD = 0b11111111 ; /* 11111111 */ DDRD = 0b00000000 ; /* iiiiiiii */ /* clear flags */ tflag = OFF ; /* clear counters */ state = 0 ; cntx = 0 ; bport = MASK01 ; /* initialize timer1 */ { /* clear counter */ TCNT1 = 0 ; /* initialize counter */ OCR1A = 24 ; OCR1B = 99 ; /* set prescaler (/8) */ /* select clock and prescaler (generate 20kHz) */ TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << CS11) ; /* Enable interrupt */ TIMSK = (1 << OCIE1A) ; } } /* Timer1 interrupt */ ISR(TIMER1_COMPA_vect) { tflag = ON ; } ファームウエアでは、シーケンサを利用しています。 タイマー割込みでシーケンサを動かすタイミングを 決めています。シーケンサは次の動作を繰返します。 ０ステート パルス幅用カウンタ設定 ピン出力を０１か１０に設定 １ステートに遷移 １ステート パルス幅用カウンタが０なら、３ステートに遷移 パルス幅用カウンタを減らす ３ステート ピン出力を００に設定 ２ステートに遷移 ２ステート ０ステートに戻す ファームウエアは単純なので、次のようなカラクリを入れる 余地があります。
- 出力パルス周波数を可変にする
- 出力波形をパルスから正弦波にする
- 出力波形の振幅を可変にする
ファームウエアで発振器を実現する以外に、デジタル回路を
利用することもできます。
ファームウエアで実現している内容を、CPLDに入れる場合
HDLを利用します。VHDLで、ファームウエアと同じ内容を
実現する場合、次のように記述します。
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity pwmcon is
generic (
TOPX : integer := 10 ;
RMAX : integer := 588 --;
) ;
port(
-- system
nRESET : in std_logic ;
CLOCK : in std_logic ;
-- input
SEL60Hz : in std_logic ;
-- output
POUT : out std_logic_vector(1 downto 0) --;
);
end pwmcon;
architecture Behavioral of pwmcon is
-- clock generator
component clkgenx is
generic (
TOPX : integer ;
RMAX : integer --;
);
port (
-- system
nRESET : in std_logic ;
CLOCK : in std_logic ;
-- output
CLKOUT : out std_logic -- ;
);
end component;
-- clock
signal iPCLK : std_logic ;
--
signal iSTATE : std_logic_vector(1 downto 0) ;
signal iCNT : integer range 0 to 100 ;
signal iPOUT : std_logic_vector(1 downto 0) ;
begin
-- clock generator
CLKX : clkgenx generic map (TOPX,RMAX) port map (nRESET,CLOCK,iPCLK) ;
-- output
POUT <= "00" when ( iSTATE(1) = '1' ) else iPOUT ;
-- sequencer
process (nRESET,iPCLK)
begin
if ( nRESET = '0' ) then
iPOUT <= "01" ;
iSTATE <= "00" ;
iCNT <= 0 ;
elsif rising_edge( iPCLK ) then
case conv_integer(iSTATE) is
-- impress pulse ("01" or "10")
when 0 => iPOUT <= iPOUT xor "11" ;
iSTATE <= "01" ;
if ( SEL60Hz = '1' ) then
iCNT <= 82 ;
else
iCNT <= 96 ;
end if ;
-- delay
when 1 => if ( iCNT = 0 ) then
iSTATE <= "11" ;
else
iCNT <= iCNT - 1 ;
end if ;
-- impress "00"
when 3 => iSTATE <= "10" ;
-- return first state
when 2 => iSTATE <= "00" ;
when others =>
iSTATE <= "00" ;
end case ;
end if ;
end process ;
end Behavioral;
マイコン、CPLDで実現するインバータの電力変換
回路の一例は、次の写真のようになります。
大電流を流せるように、表面実装にしてあります。
左側からパルスを入力し、右の２本のワイヤーを
トランスに接続します。
+12Vの電源から、パルス生成器であるマイコンに
電源を供給するための+5V電圧レギュレータを用意
しています。
マイコンは、手持ちのATtiny2313ボードを利用しました。
インバータの原理を理解すると、電圧、電流、周波数を
思い通りに制御できるようになります。
周波数について見ると、PLLを適用すると分周比を可変に
することで発振周波数を可変にできます。
電圧は、アンプ利用で振幅を可変とすれば、ある程度の範囲
制限はありますが、可変にできます。
電流は、I-V変換で電圧から電流に変換できるので、電圧
可変にする操作ができれば、電流可変となります。
電圧から電流に変換するには、極端なことを言えば、抵抗１本
で実現可能です。
このページで紹介した、直流を交流に変換する電源が
インバータの基本です。
電源の負荷に、熱交換器と誘導電動機を接続すると
エアコンディショナになります。
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