1、引言
近來,逆變電源在各行各業(yè)的應(yīng)用日益廣泛,。本文介紹了一種以16位單片機(jī)8XC196MC為內(nèi)核的逆變電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。8XC196MC片內(nèi)集成了一個(gè)3相波形發(fā)生器WFG，這一外設(shè)裝置大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制波形的控制軟件和外部硬件,，可構(gòu)成最小單片機(jī)系統(tǒng)同時(shí)協(xié)調(diào)完成SPWM波形生成和整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè),、保護(hù)、智能控制,、通訊等功能,。
2、 電源系統(tǒng)的基本原理
該電源由蓄電池輸入24V直流電,，然后通過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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該逆變電源系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻,、調(diào)壓功能,。通過A/D轉(zhuǎn)換，自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)電壓,，使輸出波形穩(wěn)定,。三相電壓值、頻率可用數(shù)碼管顯示,，通過使用MAX232E可與PC機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè),。該系統(tǒng)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的專用寄存器WFG控制下完成的,。
WFG的功能特點(diǎn)：
片內(nèi)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)無信號(hào)時(shí)間（dead time）發(fā)生器和一對(duì)可編程的輸出,。WFG可產(chǎn)生獨(dú)立的3對(duì)PWM波形，但它們有共同的載波頻率,、無信號(hào)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(yù),。
WFG的工作原理：
- 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；
- 相位驅(qū)動(dòng)通道決定SPWM波形的占空比,，可編程輸出,，每個(gè)相位驅(qū)動(dòng)器包含一個(gè)可編程的無信號(hào)時(shí)間發(fā)生器；
- 控制電路用來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(hù)電路產(chǎn)生?？删幊淘O(shè)置產(chǎn)生中斷的方式,，在整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)過流信號(hào)，保護(hù)電力電子開關(guān)器件,。
3.2 驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路
按照傳統(tǒng)的逆變器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),，器件的開關(guān)動(dòng)作需要靠獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)，并且要求驅(qū)動(dòng)電路的供電電源要彼此隔離,，這無疑增加了硬件電路的設(shè)計(jì)困難,，降低了逆變電路的可靠性。為解決上述問題,，本文選用了美國IR公司的驅(qū)動(dòng)芯片IR2130,。該芯片采用自舉驅(qū)動(dòng)方式，懸浮溝道設(shè)計(jì)使其能驅(qū)動(dòng)母線電壓小于600v的功率管,，開關(guān)頻率可以從幾十赫茲到數(shù)百千赫茲,。其內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)用，可使其應(yīng)用于高壓系統(tǒng),，還可以對(duì)上下橋臂器件的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生2微秒的互鎖信號(hào),，而且設(shè)置了欠壓保護(hù)功能,，可方便的設(shè)計(jì)出過壓、過流保護(hù),。
在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該注意一些問題,，尤其是要嚴(yán)格設(shè)計(jì)選用自舉二極管和自舉電容。自舉二極管的恢復(fù)時(shí)間很重要,，本設(shè)計(jì)采用快速恢復(fù)二極管,，其耐壓值一定要大于母線峰值。自舉電容的容量由功率管的柵極驅(qū)動(dòng)要求和最大開通時(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(hù)動(dòng)作值，一般驅(qū)動(dòng)開關(guān)頻率大于5K赫茲時(shí),，電容不應(yīng)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(nèi)部自帶過流保護(hù)功能,，一旦發(fā)生過流或直通故障，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(qū)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(qū)動(dòng)8位共陰極數(shù)碼管，該芯片完全由單片機(jī)控制,，接口簡(jiǎn)單,，控制方式靈活。
顯示內(nèi)容：三相電壓,，三相電流,，頻率，各種保護(hù)狀態(tài),。
與PC機(jī)通信使用MAX232E進(jìn)行電平交換,，該芯片產(chǎn)生TTL（單片機(jī)側(cè)）電平和RS-232（PC機(jī)側(cè)）電平。串行通信口通過MAX232E與PC機(jī)串行口相連,。
4,、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
圖2 軟件結(jié)構(gòu)框圖
軟件程序設(shè)計(jì)是整個(gè)逆變電源系統(tǒng)的核心，它決定逆變電源輸出的特性,，如：電壓范圍及穩(wěn)定度,、諧波含量、保護(hù)功能的完善、可靠性等,。軟件框圖如圖2所示,。
4.1 初始化
計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)的正弦脈寬值,，初始化I/O口和WFG波形發(fā)生器,，設(shè)置載波周期和死區(qū)時(shí)間。
在方式0中,，載波周期TC的計(jì)算公式為：
Tc =(2×WG-RELOAD)/Fxtal (μs)
在忽略無信號(hào)時(shí)間的情況下,，占空比為：
占空比=（WG-COMPx/WG-RELOAD）×100%
4.2頻率調(diào)節(jié)和輸出電壓調(diào)節(jié)
通過改變WG-RELOAD中的時(shí)間常數(shù)，可調(diào)節(jié)輸出頻率,。通常保持同步調(diào)制關(guān)系,，即頻率調(diào)制比不變，mf=常量,。在頻率調(diào)節(jié)過程為保證輸出電壓不變,，在改變G-RELOAD 內(nèi)容的時(shí)，按比較地改變WG-COMPx 中的值,。
由于負(fù)載的變化,，輸出電壓是不穩(wěn)定的。要達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓特性,，采用輸出電壓反饋閉環(huán)控制,。采用算法為增量數(shù)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(jié)果修正各開關(guān)周期的脈寬，可以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓目的,。
4.3對(duì)外串行接口程序
8XC196MC單片機(jī)的串行通訊方式在實(shí)際應(yīng)用中效果非常好,，其靈活性和實(shí)用性是其它獨(dú)立串口所無法比擬的。利用EPA和PTS實(shí)現(xiàn)串行通訊可完成與PC機(jī)的RS232方式的通信,，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送,、上傳。
5,、實(shí)驗(yàn)分析
采用以上方案,，制造了一臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：直流24V電壓輸入,，載波頻率9.6KHZ,，主回路功率管IRF540，直流側(cè)電容C=470uF,，變壓器的匝數(shù)比1：10,，輸出濾波電感Lf=6mH，輸出濾波電容Cf=30uF,。
圖3為試驗(yàn)輸出波形：
圖3 輸出電壓波形
6,、結(jié)論
該電源設(shè)備結(jié)構(gòu)合理，體積小、成本低,、穩(wěn)定,。試驗(yàn)表明，逆變電源輸出波形好,，可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)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(xiàn)了全數(shù)字化,，其系統(tǒng)能智能控制及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
參考文獻(xiàn):
[1]程軍.intel80 C196單片機(jī)應(yīng)用實(shí)踐與C語言開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版
作者：李娜 邵利敏等