基于16位單片機(jī)的逆變電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種以8XC196MC為內(nèi)核的逆變電源系統(tǒng)。其逆變控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字操作。逆變部分的SPWM控制脈沖波形完全由8XC196MC單片機(jī)生成,使用IR2130實(shí)現(xiàn)對功率管的驅(qū)動和保護(hù),頻率電壓可由數(shù)碼管顯示,可用串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊.該系統(tǒng)硬件電路簡單，器件減少，結(jié)構(gòu)緊湊，性價(jià)比高。經(jīng)試驗(yàn)表明：逆變電源輸出波形失真小，動態(tài)特性好，可靠性高。
關(guān)鍵字：8XC196MC 逆變電路 正弦脈寬調(diào)制 波形發(fā)生器 控制電路

1、引言

    近來,逆變電源在各行各業(yè)的應(yīng)用日益廣泛。本文介紹了一種以16位單片機(jī)8XC196MC為內(nèi)核的逆變電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。8XC196MC片內(nèi)集成了一個(gè)3相波形發(fā)生器WFG，這一外設(shè)裝置大大簡化了產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制波形的控制軟件和外部硬件，可構(gòu)成最小單片機(jī)系統(tǒng)同時(shí)協(xié)調(diào)完成SPWM波形生成和整個(gè)系統(tǒng)的檢測、保護(hù)、智能控制、通訊等功能。

2、  電源系統(tǒng)的基本原理

    該電源由蓄電池輸入24V直流電，然后通過橋式逆變電路逆變成SPWM波形，經(jīng)低通濾波器得到正弦波輸出。SPWM波形由8XC196MC的3相波形發(fā)生器WFG產(chǎn)生，可輸出所需電壓和頻率的正弦波。

3、  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    該逆變電源系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓功能。通過A/D轉(zhuǎn)換，自動反饋調(diào)節(jié)電壓，使輸出波形穩(wěn)定。三相電壓值、頻率可用數(shù)碼管顯示，通過使用MAX232E可與PC機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測。該系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

3．1  SPWM波形產(chǎn)生電路

    SPWM波形是由8XC196MC的專用寄存器WFG控制下完成的。

WFG的功能特點(diǎn)：

    片內(nèi)有3個(gè)同步的PWM模塊，每個(gè)模塊包含一個(gè)相位比較寄存器、一個(gè)無信號時(shí)間（dead time）發(fā)生器和一對可編程的輸出。WFG可產(chǎn)生獨(dú)立的3對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無信號時(shí)間和操作方式。一旦起動以后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時(shí)加以干預(yù)。

WFG的工作原理：

1．時(shí)基發(fā)生器為SPWM建立載波周期。該周期值取決于WG-RELOAD的值；

2．相位驅(qū)動通道決定SPWM波形的占空比，可編程輸出，每個(gè)相位驅(qū)動器包含一個(gè)可編程的無信號時(shí)間發(fā)生器；

3．控制電路用來確定工作模式和其它寄存器配置信息。

WFG有2種中斷：WFG中斷和EXTINT中斷。

WFG中斷是重裝載WG-COUNT時(shí)產(chǎn)生。不同的工作方式，有不同的重裝載方式，每個(gè)PWM周期，方式0在WG-COUNT=WG-RELOAD時(shí)產(chǎn)生一次WFG中斷，方式1在WG-COUNT=WG-RELOAD和WG-COUNT=1時(shí)都產(chǎn)生中斷。

EXTINT中斷由保護(hù)電路產(chǎn)生?？删幊淘O(shè)置產(chǎn)生中斷的方式，在整個(gè)系統(tǒng)檢測過流信號，保護(hù)電力電子開關(guān)器件。

3．2 驅(qū)動與保護(hù)電路

    按照傳統(tǒng)的逆變器驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)，器件的開關(guān)動作需要靠獨(dú)立的驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)，并且要求驅(qū)動電路的供電電源要彼此隔離，這無疑增加了硬件電路的設(shè)計(jì)困難，降低了逆變電路的可靠性。為解決上述問題，本文選用了美國IR公司的驅(qū)動芯片IR2130。該芯片采用自舉驅(qū)動方式，懸浮溝道設(shè)計(jì)使其能驅(qū)動母線電壓小于600v的功率管，開關(guān)頻率可以從幾十赫茲到數(shù)百千赫茲。其內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)用，可使其應(yīng)用于高壓系統(tǒng)，還可以對上下橋臂器件的門極驅(qū)動信號產(chǎn)生2微秒的互鎖信號，而且設(shè)置了欠壓保護(hù)功能，可方便的設(shè)計(jì)出過壓、過流保護(hù)。

    在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該注意一些問題，尤其是要嚴(yán)格設(shè)計(jì)選用自舉二極管和自舉電容。自舉二極管的恢復(fù)時(shí)間很重要，本設(shè)計(jì)采用快速恢復(fù)二極管，其耐壓值一定要大于母線峰值。自舉電容的容量由功率管的柵極驅(qū)動要求和最大開通時(shí)間決定，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時(shí)其兩端電壓不低于欠壓保護(hù)動作值，一般驅(qū)動開關(guān)頻率大于5K赫茲時(shí)，電容不應(yīng)該小于0.1 。電源電容容量的匹配也十分重要，其值至少是自舉電容的十倍。芯片內(nèi)部自帶過流保護(hù)功能，一旦發(fā)生過流或直通故障，能迅速關(guān)斷PWM輸出。

    該器件只要合理的選擇自舉電容，電源電容，自舉二極管，驅(qū)動電路工作十分可靠。

3．3顯示與通信接口

    顯示部分采用HD7279A同時(shí)驅(qū)動8位共陰極數(shù)碼管，該芯片完全由單片機(jī)控制，接口簡單，控制方式靈活。

顯示內(nèi)容：三相電壓，三相電流，頻率，各種保護(hù)狀態(tài)。

    與PC機(jī)通信使用MAX232E進(jìn)行電平交換，該芯片產(chǎn)生TTL（單片機(jī)側(cè)）電平和RS-232（PC機(jī)側(cè)）電平。串行通信口通過MAX232E與PC機(jī)串行口相連。

4、  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖2   軟件結(jié)構(gòu)框圖

    軟件程序設(shè)計(jì)是整個(gè)逆變電源系統(tǒng)的核心，它決定逆變電源輸出的特性，如：電壓范圍及穩(wěn)定度、諧波含量、保護(hù)功能的完善、可靠性等。軟件框圖如圖2所示。

4．1 初始化

    計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)的正弦脈寬值，初始化I/O口和WFG波形發(fā)生器，設(shè)置載波周期和死區(qū)時(shí)間。

    在方式0中，載波周期T_C的計(jì)算公式為：

               Tc =(2×WG-RELOAD)/Fxtal (μs)

在忽略無信號時(shí)間的情況下，占空比為：

占空比=（WG-COMPx/WG-RELOAD）×100％

4．2頻率調(diào)節(jié)和輸出電壓調(diào)節(jié)

    通過改變WG-RELOAD中的時(shí)間常數(shù)，可調(diào)節(jié)輸出頻率。通常保持同步調(diào)制關(guān)系，即頻率調(diào)制比不變，mf=常量。在頻率調(diào)節(jié)過程為保證輸出電壓不變，在改變G-RELOAD 內(nèi)容的時(shí)，按比較地改變WG-COMPx 中的值。

    由于負(fù)載的變化，輸出電壓是不穩(wěn)定的。要達(dá)到良好的動態(tài)穩(wěn)壓特性，采用輸出電壓反饋閉環(huán)控制。采用算法為增量數(shù)字PID：

∆u(k)=u(k)-u(k-1)=kp[e(k)-e(k-1)]+k1e(k)+kD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

按PID的結(jié)果修正各開關(guān)周期的脈寬，可以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓目的。

4．3對外串行接口程序

      8XC196MC單片機(jī)的串行通訊方式在實(shí)際應(yīng)用中效果非常好，其靈活性和實(shí)用性是其它獨(dú)立串口所無法比擬的。利用EPA和PTS實(shí)現(xiàn)串行通訊可完成與PC機(jī)的RS232方式的通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送、上傳。

5、實(shí)驗(yàn)分析

    采用以上方案，制造了一臺樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：直流24V電壓輸入，載波頻率9.6KH_Z，主回路功率管IRF540，直流側(cè)電容C=470uF，變壓器的匝數(shù)比1：10，輸出濾波電感L_f=6mH，輸出濾波電容C_f=30uF。

   圖3為試驗(yàn)輸出波形：

 

圖3  輸出電壓波形

 

6、結(jié)論

    該電源設(shè)備結(jié)構(gòu)合理，體積小、成本低、穩(wěn)定。試驗(yàn)表明，逆變電源輸出波形好，可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻，動態(tài)特性好，可靠性高。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于控制電路大為簡化并且實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，其系統(tǒng)能智能控制及遠(yuǎn)程監(jiān)測。

參考文獻(xiàn):

[1]程軍.intel80 C196單片機(jī)應(yīng)用實(shí)踐與C語言開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版