基于16位單片機的逆變電源系統的設計

摘要：介紹了一種以8XC196MC為內核的逆變電源系統。其逆變控制系統實(shí)現了全數字操作。逆變部分的SPWM控制脈沖波形完全由8XC196MC單片機生成,使用IR2130實(shí)現對功率管的驅動(dòng)和保護,頻率電壓可由數碼管顯示,可用串口與上位機進(jìn)行通訊.該系統硬件電路簡(jiǎn)單，器件減少，結構緊湊，性?xún)r(jià)比高。經(jīng)試驗表明：逆變電源輸出波形失真小，動(dòng)態(tài)特性好，可靠性高。
關(guān)鍵字：8XC196MC逆變電路正弦脈寬調制波形發(fā)生器控制電路

1、引言

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

2、 電源系統的基本原理

該電源由蓄電池輸入24V直流電，然后通過(guò)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、 系統硬件設計

該逆變電源系統可實(shí)現調頻、調壓功能。通過(guò)A/D轉換，自動(dòng)反饋調節電壓，使輸出波形穩定。三相電壓值、頻率可用數碼管顯示，通過(guò)使用MAX232E可與PC機通訊，實(shí)現遠程控制與監測。該系統的硬件框圖如圖1所示。

3．1 SPWM波形產(chǎn)生電路

SPWM波形是由8XC196MC的專(zhuān)用寄存器WFG控制下完成的。

WFG的功能特點(diǎn)：

片內有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(wú)信號時(shí)間（dead time）發(fā)生器和一對可編程的輸出。WFG可產(chǎn)生獨立的3對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無(wú)信號時(shí)間和操作方式。一旦起動(dòng)以后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時(shí)加以干預。

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

3．控制電路用來(lái)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中斷由保護電路產(chǎn)生?？删幊淘O置產(chǎn)生中斷的方式，在整個(gè)系統檢測過(guò)流信號，保護電力電子開(kāi)關(guān)器件。

3．2 驅動(dòng)與保護電路

按照傳統的逆變器驅動(dòng)電路的設計，器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作需要靠獨立的驅動(dòng)電路來(lái)實(shí)現，并且要求驅動(dòng)電路的供電電源要彼此隔離，這無(wú)疑增加了硬件電路的設計困難，降低了逆變電路的可靠性。為解決上述問(wèn)題，本文選用了美國IR公司的驅動(dòng)芯片IR2130。該芯片采用自舉驅動(dòng)方式，懸浮溝道設計使其能驅動(dòng)母線(xiàn)電壓小于600v的功率管，開(kāi)關(guān)頻率可以從幾十赫茲到數百千赫茲。其內部自舉技術(shù)的巧妙運用，可使其應用于高壓系統，還可以對上下橋臂器件的門(mén)極驅動(dòng)信號產(chǎn)生2微秒的互鎖信號，而且設置了欠壓保護功能，可方便的設計出過(guò)壓、過(guò)流保護。

在實(shí)際應用中應該注意一些問(wèn)題，尤其是要嚴格設計選用自舉二極管和自舉電容。自舉二極管的恢復時(shí)間很重要，本設計采用快速恢復二極管，其耐壓值一定要大于母線(xiàn)峰值。自舉電容的容量由功率管的柵極驅動(dòng)要求和最大開(kāi)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動(dòng)作值，一般驅動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率大于5K赫茲時(shí)，電容不應該小于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。芯片內部自帶過(guò)流保護功能，一旦發(fā)生過(guò)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，驅動(dòng)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)驅動(dòng)8位共陰極數碼管，該芯片完全由單片機控制，接口簡(jiǎn)單，控制方式靈活。

顯示內容：三相電壓，三相電流，頻率，各種保護狀態(tài)。

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

4、 系統軟件設計

4．1 初始化

計算一個(gè)周期內的正弦脈寬值，初始化I/O口和WFG波形發(fā)生器，設置載波周期和死區時(shí)間。

在方式0中，載波周期T_C的計算公式為：

Tc =(2WG-RELOAD)/Fxtal (μs)

在忽略無(wú)信號時(shí)間的情況下，占空比為：

占空比=（WG-COMPx/WG-RELOAD）100％

4．2頻率調節和輸出電壓調節

通過(guò)改變WG-RELOAD中的時(shí)間常數，可調節輸出頻率。通常保持同步調制關(guān)系，即頻率調制比不變，mf=常量。在頻率調節過(guò)程為保證輸出電壓不變，在改變G-RELOAD 內容的時(shí)，按比較地改變WG-COMPx 中的值。

由于負載的變化，輸出電壓是不穩定的。要達到良好的動(dòng)態(tài)穩壓特性，采用輸出電壓反饋閉環(huán)控制。采用算法為增量數字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的結果修正各開(kāi)關(guān)周期的脈寬，可以達到調節電壓目的。

4．3對外串行接口程序

8XC196MC單片機的串行通訊方式在實(shí)際應用中效果非常好，其靈活性和實(shí)用性是其它獨立串口所無(wú)法比擬的。利用EPA和PTS實(shí)現串行通訊可完成與PC機的RS232方式的通信，進(jìn)行數據的發(fā)送、上傳。

5、實(shí)驗分析

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

圖3為試驗輸出波形：

6、結論

該電源設備結構合理，體積小、成本低、穩定。試驗表明，逆變電源輸出波形好，可實(shí)現調壓調頻，動(dòng)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(jiǎn)化并且實(shí)現了全數字化，其系統能智能控制及遠程監測。

參考文獻:

[1]程軍.intel80 C196單片機應用實(shí)踐與C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版