基于87C196MH的車載逆變電源設(shè)計(jì)

 地鐵和高速列車的使用，給人們帶來(lái)方便的同時(shí)也存在著較大的隱患。由于其窗門都需要處于密閉狀態(tài)。若列車因發(fā)生電力故障而停留在隧道中，空調(diào)和排風(fēng)設(shè)備會(huì)停止運(yùn)行，進(jìn)而嚴(yán)重地影響乘客們的生命安全?，F(xiàn)急需一種將蓄電池直流110 V的電壓逆變?yōu)槿?30 V/50 Hz的交流電源，為機(jī)車電力設(shè)備供電，以確保乘客生命安全。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)巧妙地利用了高功率因數(shù)PWM控制芯片L4981A的Boost結(jié)構(gòu)的功率校正電路來(lái)實(shí)現(xiàn)直流升壓變換器的設(shè)計(jì)。提出了一種以87C19MH為控制核心，以IPM為開(kāi)關(guān)器件的逆變電源的設(shè)計(jì)方案。逆變電源系統(tǒng)框圖如圖1所示，采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)是DC/DC變換器，第二級(jí)是DC/AC逆變器;DC/DC變換器將110 V直流電壓變換成400 V直流電壓，DC/AC逆變器則將此直流電壓逆變成有效值為230 V頻率為50 Hz的交流電壓，以帶動(dòng)負(fù)載[1-2]。且系統(tǒng)具有輸入過(guò)欠壓、輸出過(guò)流、缺相、負(fù)載短路、超溫等保護(hù)功能。

2 DC/DC電路設(shè)計(jì)

該逆變電源的第一級(jí)為DC/DC升壓電路設(shè)計(jì)，采用Boost型APFC控制，升壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

Boost型APFC升壓控制電路設(shè)計(jì)應(yīng)用集成控制芯片L4981A，通過(guò)采樣電阻Rs(RS102，RS101)通過(guò)8、9兩引腳采集系統(tǒng)輸入電流;直流輸入電壓(VCCP+)經(jīng)限流電阻R17后，加到4腳，作為控制輸入電流的跟蹤信號(hào);輸入電壓的有效值通過(guò)7腳送入乘法器，以調(diào)節(jié)輸入總功率的恒定;輸出電壓(VOUT)經(jīng)R27、R28、W3(可調(diào)電位器)和R32分壓后，由14腳加到芯片內(nèi)部的誤差放大器的輸入端。以上4個(gè)信號(hào)作為L(zhǎng)4981A芯片內(nèi)部電路控制方式的參考值，通過(guò)芯片結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電壓控制環(huán)路和電流控制環(huán)路，來(lái)實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的調(diào)節(jié)。采集的輸出電壓信號(hào)與L4981A芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較后，誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)送入乘法器，用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓為一穩(wěn)定值。電流誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后生成PWM脈沖信號(hào)輸出，L4981A的輸出端(20腳)將輸出的PWM控制IGBT管的導(dǎo)通和關(guān)斷，通過(guò)外接振蕩器的定時(shí)電阻和電容來(lái)設(shè)定PWM開(kāi)關(guān)頻率，經(jīng)過(guò)輸出電容Ca濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)直流輸出。升壓后的輸出電壓VOUT經(jīng)R29、R30、R31和W4(可調(diào)電位器)分壓后加到3腳，當(dāng)此管腳的電壓大于5.1 V時(shí)，即VOUT超過(guò)410 V時(shí)，L4981A將實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)，輸出將被強(qiáng)制接地，來(lái)強(qiáng)制截至功率開(kāi)關(guān)管[3-4]。

輸入電流經(jīng)R22后加到2腳，實(shí)現(xiàn)峰值電流限制。同時(shí)輸出通過(guò)電壓分壓器來(lái)設(shè)定芯片的欠壓鎖定開(kāi)通和關(guān)斷閾值，通過(guò)欠壓封鎖控制端來(lái)控制是否欠壓。當(dāng)15腳的電壓低于10 V時(shí)(Q3導(dǎo)通)，實(shí)現(xiàn)欠壓封鎖;當(dāng)l5腳的電壓高于15.5 V時(shí)(Q3斷開(kāi))，將正常起動(dòng)，使電源電壓具有滯回功能。L4981A電路軟啟動(dòng)的時(shí)間由E3的電容值決定。

3 DC/AC電路設(shè)計(jì)

車載逆變器主控芯片為Intel單片機(jī)87C196MH，由單片機(jī)87C196MH輸出6路互補(bǔ)SPWM信號(hào)為IPM提供驅(qū)動(dòng)脈沖，將400 V直流電源逆變?yōu)槿?30 V/50 Hz的交流電源，為機(jī)車電力設(shè)備供電，主控電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)單片機(jī)上電啟動(dòng)后首先經(jīng)歷一個(gè)軟啟動(dòng)過(guò)程，該過(guò)程中單片機(jī)主要完成檢測(cè)輸入電壓過(guò)欠壓、輸入電流過(guò)流和IPM電流過(guò)流故障。若無(wú)故障，則單片機(jī)根據(jù)輸出電壓反饋值調(diào)整SPWM的載波頻率和調(diào)制比，使輸出電壓穩(wěn)定。

當(dāng)輸出電壓穩(wěn)定后，單片機(jī)啟動(dòng)缺相保護(hù)，檢測(cè)輸出電壓是否跌落。如果發(fā)生缺相故障，單片機(jī)將停止輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，并且點(diǎn)亮軟件故障指示燈。同時(shí)，當(dāng)逆變電路正常工作的同時(shí)，單片機(jī)繼續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)其他故障情況，一旦發(fā)生故障將停止輸出SPWM信號(hào)并點(diǎn)亮故障指示燈，進(jìn)入軟件保護(hù)狀態(tài)。這樣保證了逆變電源工作在安全狀態(tài)。

3.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過(guò)地址總線和數(shù)據(jù)總線分別控制片外EPROM和鎖存器，其中8位數(shù)據(jù)總線和14位地址總線的低8位分時(shí)復(fù)用。EPROM存放單片機(jī)程序，當(dāng)單片機(jī)上電后將運(yùn)行EPROM中的程序。鎖存器起到數(shù)據(jù)暫存作用，當(dāng)讀取EPROM某個(gè)地址中的程序時(shí)，先由單片機(jī)對(duì)EPROM進(jìn)行地址操作，然后通過(guò)鎖存器暫存地址總線的低8位，此時(shí)它們作為8位數(shù)據(jù)總線將選定地址中的程序送入單片機(jī)去執(zhí)行。

在控制系統(tǒng)中，單片機(jī)第46~48引腳對(duì)輸出三相電壓進(jìn)行采樣，第40引腳為外部參考電壓輸入，第62引腳為故障信號(hào)輸入，第30~35引腳為PWM輸出，第12~16引腳為高6位地址總線，第17~24引腳為低8位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線的復(fù)用總線。

單片機(jī)對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)故障信號(hào)。同時(shí)根據(jù)輸出電壓的反饋量調(diào)整SPWM的調(diào)制比，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖4所示為驅(qū)動(dòng)電路，該電路的作用就是把單片機(jī)輸出的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離并適當(dāng)放大，然后送到IPM模塊的相應(yīng)管腳，進(jìn)而控制IPM內(nèi)部IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷。光耦主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)主電路和控制電路之間的信號(hào)連接，滿足主電路和控制電路之間的電氣隔離。本設(shè)計(jì)中選用HP公司的光耦HCPL-4503，該芯片有效地起到信號(hào)隔離和電壓放大作用，完成驅(qū)動(dòng)IPM的目的。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)控制策略的正確性，對(duì)本文所研制的車載逆變器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。車載逆變器帶阻性負(fù)載，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸入DC電壓90 V~120 V;輸出AC電壓230 V，50 Hz;開(kāi)關(guān)頻率3 kHz;最小輸出功率為880 W。

在測(cè)試實(shí)際波形的時(shí)候，用數(shù)字示波器測(cè)量L4981A的PWM輸出端，同時(shí)使用1:100的高壓差分探頭，測(cè)量直流輸出波形，在空載時(shí)對(duì)DC/DC的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形進(jìn)行采集如圖5所示。輸入110 V，PWM頻率27.66 kHz，占空比為8.45%，直流升壓輸出電壓為405 V。

圖6所示為IPM上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。由于單片機(jī)發(fā)出的SPWM信號(hào)經(jīng)光耦后將反向，因此單片機(jī)輸出的兩路互補(bǔ)SPWM信號(hào)同是高電平時(shí)為死區(qū)時(shí)間。由圖可見(jiàn)，死區(qū)時(shí)間為15 ?滋s，能夠有效地防止上下橋臂直通。

圖7所示為輸出電壓波形，實(shí)驗(yàn)中使用了1：1 000的高壓差分探頭。由圖可見(jiàn)實(shí)際輸出電壓為49.60 Hz，有效值為230 V。當(dāng)輸入電壓在90 V~120 V間波動(dòng)及負(fù)載阻抗變化時(shí)，逆變器的輸出電壓都能夠有效地穩(wěn)定在230 V/50 Hz交流電壓，且諧波含量較小。

本文設(shè)計(jì)了符合地鐵列車應(yīng)急需求的車載逆變電源，采用IPM模塊有效減小了系統(tǒng)體積。使用單片機(jī)波形發(fā)生單元輸出6路SPWM作為IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，提高了系統(tǒng)的性能，并通過(guò)硬件和軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓和電流，保證逆變器安全工作。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)控制方案簡(jiǎn)單、高效、可靠，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。