基于68HC908MR16單片機的光伏正弦波逆變電源

摘要：介紹了一種基于MOTOROLA公司生產(chǎn)的68HC908MR16單片機的光伏正弦波逆變電源。該系統應用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)闃藴实恼覇蜗?20V、50Hz交流電壓，同時(shí)采用新型的數字式PI調節器實(shí)現穩壓控制，并通過(guò)與外界鍵盤(pán)監控系統進(jìn)行串行通信實(shí)現參數調節和系統監控。

關(guān)鍵詞：光伏逆變；MR16單片機；PI調節器；串行通信

1 引言

隨著(zhù)能源危機的日益加劇和人類(lèi)環(huán)保意識的提高，新能源的開(kāi)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正是一種適于戶(hù)用的、特別適于無(wú)電少電的西部邊遠地區用戶(hù)的一種電源系統，隨著(zhù)我國西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)行其市場(chǎng)前景必將越來(lái)越廣闊。

2 逆變系統結構及原理

2.1 系統基本結構

系統基本結構框圖如圖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)系統的控制都是由MR16單片機完成的。其核心部分為SPWM波的形成及根據輸出交流電壓采樣形成反饋組成的數字式PI調節器部分。

圖1 系統基本結構

2.2 關(guān)于MR16單片機

68HC908MR16單片機是一種低成本、高性能的八位單片機。它具有32k字節的可擦寫(xiě)的片內閃速存儲器FLASH，具有768字節的RAM，對于本系統來(lái)說(shuō)完全夠用；具有一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于電機控制的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(zhuān)門(mén)用于故障保護的4路FAULT引腳，當故障發(fā)生時(shí)可在不引起中斷的情況下快速封鎖PWM輸出達到保護的目的；具有可選擇外部晶振時(shí)鐘或內部鎖相環(huán)時(shí)鐘的時(shí)鐘發(fā)生器模塊，本系統選擇的內部鎖相環(huán)時(shí)鐘能產(chǎn)生精確的8MHz的內部總線(xiàn)頻率，從而保證了系統的頻率精度；具有可編程的AD時(shí)鐘,AD轉換時(shí)間最快只需2μs，能最大程度地減少中斷程序的執行時(shí)間；具有SCI串行通信接口，可工作于全雙工或半雙工模式，在本系統中能夠可靠地完成與外界鍵盤(pán)監控系統的串行通信。

2.3 逆變主電路

系統主電路采用單相全橋逆變電路如圖2所示。其中開(kāi)關(guān)器件采用適合于小功率裝置、具有開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高等特性的功率MOSFET。開(kāi)關(guān)管的柵極驅動(dòng)信號來(lái)源于MR16單片機產(chǎn)生的SPWM波經(jīng)驅動(dòng)電路后的信號。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的標準正弦交流電壓。

圖2 主電路原理圖

2.4 SPWM波的形成

68HC908MR16單片機具有一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于電機控制的可工作于3對互補模式或獨立模式的包括6路PWM輸出的PWMMC模塊。在本系統中初始化使其工作于3對互補模式即同一橋臂2個(gè)PWM信號是為互補的，在初始化中寫(xiě)一計數值到PMOD(H:L)中以決定載波頻率即開(kāi)關(guān)頻率。PWM波的實(shí)時(shí)脈寬計算是由中斷程序完成的，每次PWMMC模塊中的PCTN(H:L)計數器計數到PMOD(H:L)中的值時(shí)就引起中斷。預先將0～360°的正弦值制成表格存于FLASH某一區域中，每次中斷時(shí)從中取一正弦值，經(jīng)過(guò)一定計算后得一數值，將其送入PVALX(H:L)寄存器中，單片機將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)導通的現象發(fā)生，在無(wú)信號發(fā)生器DEADTIME中的寄存器DEADTM中寫(xiě)入一數值以確定死區時(shí)間。本系統設計死區時(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路故障保護端口FAULT1～FAULT4，當端口為高電平時(shí)，PWMMC就能根據初始化設定來(lái)封鎖相應的PWM輸出，本系統中的過(guò)流保護正是利用了這個(gè)功能，當發(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。本系統使PWMMC工作在中心對齊模式，在PWM時(shí)鐘頻率為8MHz下其載波周期計算公式為

載波周期=1/10k=PMOD(H:L)×(1/8M)×2

所以本系統須初始化PMOD(H:L)=＄0190(注：＄為MR16中十六進(jìn)制符號)

2.5 系統的控制結構

本系統通過(guò)數字式PI調節器實(shí)現穩壓控制。系統的控制框圖如圖3所示。反饋信號來(lái)自交流電壓的AD采樣，為了保證精度，本系統利用變壓器進(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)結束后給定電壓就是對應于220V電壓的數值。為了加強快速性，本系統采用前饋控制與反饋控制相結合的控制方式。為了增強系統的動(dòng)態(tài)輸出特性，本系統采用根據偏差大小改變比例系數和積分系數的模糊控制方法，當偏差較大時(shí)，比例系數和積分系數也較大，當偏差較小時(shí)比例系數和積分系數也較小，從而大大減少了超調量，很容易使系統穩定，完全消除了積分飽和現象，也增強了系統的適應能力。

圖3 系統控制框圖