基于單片機控制的DC/AC變換

利用微處理器控制產(chǎn)生SPWM(正弦脈寬調制)是實(shí)現DC/AC變換的重要技術(shù)之一。其基本工作原理是根據能量等效原則，用其每個(gè)周期內的N等份矩形波替換正弦波, 而每份矩形波的寬度與其對應正弦波所包含的面積成比例。由此計算出正弦波半個(gè)周期內所對應各矩形波的寬度值，和在一定范圍不同輸出時(shí)各組矩形波寬度的數據。將該數據存于內存中，為便于讀取數據和提高速度，最好每組數據占用內存的一頁(yè)（256字節，不滿(mǎn)時(shí)后面可空著(zhù)）?？刂撇糠种饕蓡纹瑱C，可預置計數器及相應檢測和部分邏輯電路組成。工作時(shí)，單片機兩個(gè)定時(shí)器T0和T1分別產(chǎn)生正弦波T/2定時(shí)和矩形波周期定時(shí)，T0用于控制相應電路改變其正弦波輸出的極性，即正負半周。定時(shí)開(kāi)始，計算機從一組數據順序取出各矩形波寬度的數值并寫(xiě)入可予置計數器，用于控制該脈沖寬度。取數據的間隔時(shí)間由T1控制。單片機對輸出電壓進(jìn)行檢測并與標準值比較，根據比較結果決定從內存所取數據的區域，以達到自動(dòng)調節輸出的目的。本設計采用較流行的MCS—51系列單片機作為主控CPU，因單片機性能優(yōu)越，且集成度高，不但可提高整機性能還可使電路簡(jiǎn)捷。對常用的輸出電壓采樣和A/D變換，精度和速度受芯片本身影響較大。對DC/AC電源，一般輸出為穩定電壓，在一定范圍內過(guò)高或過(guò)低都必須進(jìn)行調整，故此沒(méi)有必要非用A/D轉換不可，因此我們采用比較器，并通過(guò)微處理器來(lái)完成穩壓功能，這樣不但可達到高精度、高速度，還可簡(jiǎn)化電路降低成本。為保證電路可靠工作，在過(guò)流或過(guò)壓、無(wú)輸出檢測和報警方面均采取了較強措施。

DC/AC電源原理整體框圖如圖1所示,電路主要由低通濾波、SPWM發(fā)生器、輸出調節故障判斷、高頻開(kāi)關(guān)變換、正、負半周合成、平滑等部分組成。本文主要討論其核心部分，即以單片機為主的SPWM波發(fā)生及相應的檢測控制電路。該部分原理如圖2所示。U1為主控CPU8031，U2、U3為74LS373和27256，用于存放一定范圍內不同輸出時(shí)各組SPWM矩形波寬度的數據，U4、U5為可預置計數器74LS161，兩片組成8位計數器，在4MHz時(shí)鐘下產(chǎn)生0。25～64mS寬度的定時(shí)，U6～U9為檢測和控制邏輯。8031內部定時(shí)器T0用于AC輸出(T/2)定時(shí)。T用于SPWM矩形波的周期定時(shí)。AC輸出的正負半周由P1.0控制。SPWM波由D觸發(fā)器U6：B輸出，經(jīng)74LS00和74LS04分別接正負半周功率變換驅動(dòng)電路。輸出檢測比較電路給出的輸出范圍信號VOL和VOH加在P1.1和P1.2腳，當輸出低于正常值時(shí)，VOL=“0”，VOH=“1”；而輸出高于正常值時(shí)，VOL=“1”，VOH=“0”。經(jīng)檢測電路獲取的輸入欠壓、輸入過(guò)壓、輸入過(guò)流和輸出過(guò)壓、無(wú)輸出信號及Watchdog信號經(jīng)線(xiàn)與取反后與8031的RESET端相連，任何一個(gè)故障的發(fā)生均可使CPU復位，以保護設備。

CPU上電自動(dòng)復位初始化后，T0、T1開(kāi)始定時(shí)，T0每定時(shí)到P1.0取反，控制AC正負半周的輸出。CPU控制AC從最低輸出開(kāi)始（軟啟動(dòng)），T1定時(shí)到則從EPROM取出相應脈寬數據，寫(xiě)入可預置計數器，同時(shí)使U6：A的Q輸出為“0”，U6：B的Q輸出為“1”，功率變換管導通?？深A置計數器在4MHZ時(shí)鐘的作用下從預置值開(kāi)始計數，當計數溢出時(shí)U5的Tc=“1”，U6：A的Q=“1”，U6：B的Q=“0”，功率變換管截止，一個(gè)矩形波輸出完成，CPU將本半周內的各矩形波按順序依次輸出。T0定時(shí)時(shí)間到（每半周）檢測一次輸出幅度，當輸出較正常值低時(shí)(VOL=“0”)，讀取脈寬數據的高位地址加1，當輸出較正常值高時(shí)(VOH=“0”)，則讀取脈寬數據的高位地址減1；正常輸出時(shí)則維持當前地址不變。另半周的輸出與此完全相同，最后由波形合成電路實(shí)現完整輸出。為保證整機可靠工作，該電路采用了較完善的死機自動(dòng)恢復和各種故障檢測、保護和報警設計。輸入過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、輸出過(guò)壓和無(wú)輸出任一故障均可使計算機自動(dòng)復位，前四種故障同時(shí)將驅動(dòng)電路封死使輸出為零，以保護內外設備。當故障不能排除時(shí)，則發(fā)出聲、光報警。

因該控制電路結構簡(jiǎn)單，故軟件也較簡(jiǎn)潔，現將我們以該技術(shù)為核心研制《HJD—04大型數字程控交換機DC/AC（鈴流）電源》的源程序給出。該DC/AC電源主要指標為：DC輸入—48V，AC輸出75V、1A、25Hz，主變換頻率20KHz，效率≥75%。

以該技術(shù)為核心研制的《HJD-04大型數字程控交換機DC/AC(鈴流)電源》已經(jīng)通過(guò)了由河南省科委組織的技術(shù)鑒定，綜合技術(shù)指標達到國內領(lǐng)先水平。與通用DC/AC技術(shù)相比較，既沒(méi)有使用A/D也沒(méi)有使用D/A，電路簡(jiǎn)潔明了，安全可靠?！?/font>