基于68HC908MR16單片機(jī)的光伏正弦波逆變電源介紹
摘要:介紹了一種基于MOTOROLA公司生產(chǎn)的68HC908MR16單片機(jī)的光伏正弦波逆變電源。該系統(tǒng)應(yīng)用SPWM技術(shù)將經(jīng)太陽(yáng)電池陣列充電后的蓄電池電壓,逆變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的正弦單相220V、50Hz交流電壓,同時(shí)采用新型的數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制,并通過(guò)與外界鍵盤監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行串行通信實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)和系統(tǒng)監(jiān)控。
關(guān)鍵詞:光伏逆變;MR16單片機(jī);PI調(diào)節(jié)器;串行通信
1 引言
隨著能源危機(jī)的日益加劇和人類環(huán)保意識(shí)的提高,新能源的開發(fā)利用越來(lái)越受到人們的重視。而太陽(yáng)能作為取之不盡用之不竭的高效無(wú)污染的能源近來(lái)更受人們的青睞。本文介紹的光伏正弦逆變電源系統(tǒng)正是一種適于戶用的、特別適于無(wú)電少電的西部邊遠(yuǎn)地區(qū)用戶的一種電源系統(tǒng),隨著我國(guó)西部大開發(fā)的進(jìn)行其市場(chǎng)前景必將越來(lái)越廣闊。
2 逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
2.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由圖可知,首先太陽(yáng)電池陣列經(jīng)充電電路向蓄電池充電,從而得到一個(gè)基本穩(wěn)定的直流電壓,再經(jīng)逆變電路將直流電逆變成高頻交流電,最后經(jīng)工頻變壓器升壓和濾波電路濾波變成50Hz、220V正弦交流電壓。整個(gè)系統(tǒng)的控制都是由MR16單片機(jī)完成的。其核心部分為SPWM波的形成及根據(jù)輸出交流電壓采樣形成反饋組成的數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器部分。
圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
2.2 關(guān)于MR16單片機(jī)
68HC908MR16單片機(jī)是一種低成本、高性能的八位單片機(jī)。它具有32k字節(jié)的可擦寫的片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器FLASH,具有768字節(jié)的RAM,對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)完全夠用;具有一個(gè)專門用于電機(jī)控制的6路PWM輸出的PWMMC模塊,適合于單相、三相逆變,同時(shí)該模塊還有專門用于故障保護(hù)的4路FAULT引腳,當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可在不引起中斷的情況下快速封鎖PWM輸出達(dá)到保護(hù)的目的;具有可選擇外部晶振時(shí)鐘或內(nèi)部鎖相環(huán)時(shí)鐘的時(shí)鐘發(fā)生器模塊,本系統(tǒng)選擇的內(nèi)部鎖相環(huán)時(shí)鐘能產(chǎn)生精確的8MHz的內(nèi)部總線頻率,從而保證了系統(tǒng)的頻率精度;具有可編程的AD時(shí)鐘,AD轉(zhuǎn)換時(shí)間最快只需2μs,能最大程度地減少中斷程序的執(zhí)行時(shí)間;具有SCI串行通信接口,可工作于全雙工或半雙工模式,在本系統(tǒng)中能夠可靠地完成與外界鍵盤監(jiān)控系統(tǒng)的串行通信。
2.3 逆變主電路
系統(tǒng)主電路采用單相全橋逆變電路如圖2所示。其中開關(guān)器件采用適合于小功率裝置、具有開關(guān)速度快、工作頻率高等特性的功率MOSFET。開關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)源于MR16單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM波經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后的信號(hào)。全橋逆變的輸出為高頻SPWM波,經(jīng)變壓器升壓及濾波后即得到220V、50Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦交流電壓。
圖2 主電路原理圖
2.4 SPWM波的形成
68HC908MR16單片機(jī)具有一個(gè)專門用于電機(jī)控制的可工作于3對(duì)互補(bǔ)模式或獨(dú)立模式的包括6路PWM輸出的PWMMC模塊。在本系統(tǒng)中初始化使其工作于3對(duì)互補(bǔ)模式即同一橋臂2個(gè)PWM信號(hào)是為互補(bǔ)的,在初始化中寫一計(jì)數(shù)值到PMOD(H:L)中以決定載波頻率即開關(guān)頻率。PWM波的實(shí)時(shí)脈寬計(jì)算是由中斷程序完成的,每次PWMMC模塊中的PCTN(H:L)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到PMOD(H:L)中的值時(shí)就引起中斷。預(yù)先將0~360°的正弦值制成表格存于FLASH某一區(qū)域中,每次中斷時(shí)從中取一正弦值,經(jīng)過(guò)一定計(jì)算后得一數(shù)值,將其送入PVALX(H:L)寄存器中,單片機(jī)將PVALX(H:L)中的值與PMOD(H:L)中的值比較后自動(dòng)生成SPWM信號(hào)并由PWM引腳發(fā)出。為了防止同一橋臂兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象發(fā)生,在無(wú)信號(hào)發(fā)生器DEADTIME中的寄存器DEADTM中寫入一數(shù)值以確定死區(qū)時(shí)間。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)間為2.5μs,載波頻率為10kHz,制成包括200個(gè)放大的正弦值的正弦表。PWMMC模塊還有4路故障保護(hù)端口FAULT1~FAULT4,當(dāng)端口為高電平時(shí),PWMMC就能根據(jù)初始化設(shè)定來(lái)封鎖相應(yīng)的PWM輸出,本系統(tǒng)中的過(guò)流保護(hù)正是利用了這個(gè)功能,當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí),就置位FAULT1端口從而封鎖全部六路PWM端口。本系統(tǒng)使PWMMC工作在中心對(duì)齊模式,在PWM時(shí)鐘頻率為8MHz下其載波周期計(jì)算公式為
載波周期=1/10k=PMOD(H:L)×(1/8M)×2
所以本系統(tǒng)須初始化PMOD(H:L)=$0190(注:$為MR16中十六進(jìn)制符號(hào))
2.5 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制。系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。反饋信號(hào)來(lái)自交流電壓的AD采樣,為了保證精度,本系統(tǒng)利用變壓器進(jìn)行電壓采樣。剛啟動(dòng)時(shí)給定電壓取自軟啟動(dòng)輸出,軟啟動(dòng)是為了避免啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生大的峰值電流,軟啟動(dòng)采用逐次加1遞增到所需電壓的方法,軟啟動(dòng)結(jié)束后給定電壓就是對(duì)應(yīng)于220V電壓的數(shù)值。為了加強(qiáng)快速性,本系統(tǒng)采用前饋控制與反饋控制相結(jié)合的控制方式。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)輸出特性,本系統(tǒng)采用根據(jù)偏差大小改變比例系數(shù)和積分系數(shù)的模糊控制方法,當(dāng)偏差較大時(shí),比例系數(shù)和積分系數(shù)也較大,當(dāng)偏差較小時(shí)比例系數(shù)和積分系數(shù)也較小,從而大大減少了超調(diào)量,很容易使系統(tǒng)穩(wěn)定,完全消除了積分飽和現(xiàn)象,也增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)能力。
圖3 系統(tǒng)控制框圖
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3 串行通信
為了增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)不同環(huán)境的能力,有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)測(cè)及對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改調(diào)節(jié),本系統(tǒng)采用串行通信技術(shù)同外界鍵盤監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。程序上采用查詢方式,周期性地向外界發(fā)送檢測(cè)的數(shù)據(jù),檢測(cè)的數(shù)據(jù)包括太陽(yáng)電池電壓、充電電流、蓄電池電壓、直流側(cè)電流、輸出電壓、輸出電流、散熱器溫度等,當(dāng)發(fā)生故障時(shí)優(yōu)先發(fā)送故障信號(hào),當(dāng)需要修改參數(shù)時(shí)就接收數(shù)據(jù)并修改相應(yīng)參數(shù),并使用校驗(yàn)和校驗(yàn)的方法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性。硬件采用MAXIM公司的MAX485作為接口芯片使其工作于半雙工模式,同時(shí)本系統(tǒng)采用光耦隔離的辦法以增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力,提高可靠性。
4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),包括初始化模塊、保護(hù)模塊、調(diào)節(jié)器模塊、通信模塊、中斷程序模塊等,除中斷模塊外其余模塊都放在主程序中進(jìn)行,主程序框圖見圖4。
圖4 主程序流程圖
初始化模塊主要完成系統(tǒng)的初始化、各變量單元、各寄存器單元賦初值。
保護(hù)模塊根據(jù)電壓電流采樣值進(jìn)行故障判斷,并在故障發(fā)生時(shí)封鎖PWM的輸出。保護(hù)包括蓄電池欠壓、蓄電池過(guò)壓、系統(tǒng)過(guò)載、過(guò)熱保護(hù)等,其中蓄電池欠壓、過(guò)壓保護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)自恢復(fù),即在檢測(cè)到蓄電池電壓又恢復(fù)正常時(shí),系統(tǒng)重新軟啟動(dòng)并恢復(fù)正常工作。過(guò)流保護(hù)由于需要快速反應(yīng)故采用硬件保護(hù),當(dāng)過(guò)流發(fā)生時(shí)就立即封鎖全部PWM輸出,也立即封鎖全部驅(qū)動(dòng)電路,只有重新復(fù)位時(shí)才能恢復(fù)工作,軟件可判斷出是否發(fā)生過(guò)流保護(hù)。
調(diào)節(jié)器模塊完成對(duì)系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)壓的PI調(diào)節(jié),使輸出電壓穩(wěn)定在220V,同時(shí)軟啟動(dòng)也放在其中。其入口參數(shù)為軟啟動(dòng)輸出,出口參數(shù)M送到中斷模塊中參與PWM脈寬的計(jì)算。通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)該參數(shù)的值就能改變脈寬值從而使輸出跟隨給定。
中斷程序模塊完成SPWM波形的發(fā)出、交流電壓、交流電流參數(shù)的采樣。中斷的入口參數(shù)為PI調(diào)節(jié)器的輸出參數(shù)M,該參數(shù)參與脈寬的計(jì)算即PVALX(H:L)值的計(jì)算,從而改變了占空比也即調(diào)節(jié)了輸出電壓。按照SPWM的規(guī)則2采樣的方法,結(jié)合初始化中對(duì)PWMMC的設(shè)定得脈寬的實(shí)時(shí)計(jì)算公式為
正半周期:
PVALX(H:L)=PMOD(H:L)/2+M×SIN(PTR)
負(fù)半周期:
PVALX(H:L)=PMOD(H:L)/2-M×SIN(PTR)
其中PTR為正弦表指針,SIN(PTR)為對(duì)應(yīng)PTR指針的正弦值。
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5 結(jié)語(yǔ)
按照以上思想制成樣機(jī),最后能得到比較標(biāo)準(zhǔn)的220V、50Hz正弦電壓,軟啟動(dòng)也很平穩(wěn),其頻率誤差≤0.1%,輸出電壓誤差≤0.5%。由于采用10kHz的載波頻率,在變壓器原邊得到20kHz高頻信號(hào),無(wú)噪聲。在上述控制方式下,能保證系統(tǒng)在突然加載或減載時(shí)輸出電壓快速地保持穩(wěn)定。并且與外界鍵盤監(jiān)控系統(tǒng)的串行通信良好,有較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性。其空載和負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形如圖5和圖6所示。
圖5 空載時(shí)輸出電壓波形
圖6 負(fù)載時(shí)輸出電壓波形