基于單片機(jī)控制逆變穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、󰃞󰃜基于單片機(jī)控制逆變穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)王一鏵,黃耀志(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院福建福州350002)摘要:介紹了基于單片機(jī)、SPWM逆變控制技術(shù)的新型穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì),詳述了該電源的主電路和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),重點(diǎn)介紹了SA8382單相SPWM發(fā)生器的應(yīng)用,并給出了控制程序的框圖。關(guān)鍵詞:單片機(jī);AT89C51;SPWM;SA8382;穩(wěn)壓電源中圖分類號(hào):TP36811文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):373X(03DesignofSingleChipMicrocomGiutomatil,U,Fuzhou,350002,China)Abstract:Tofatypeinvert

2、erpowersupply,thesinglechipmicrocomputercontroltechnologyandtheSPWMtrollogyareused1Thestructureofthemaincircuitandcontrolsystemarediscussedindetail,theapplicationofSA8382andtheframepictureofthecontrolprogramaregiven1Keywords:singlechipmicrocomputer;AT89C51;SPWM;SA8382;regulatedpowersupply本設(shè)計(jì)的目的是研制一種

3、輸入為市電,輸出為220V,50Hz的交流穩(wěn)定電壓,輸出功率為5kW的通信用單相穩(wěn)壓電測(cè)、保護(hù)和控制。2系統(tǒng)介紹圖1為本系統(tǒng)的框圖,該系統(tǒng)的工作原理是市電220V經(jīng)整流濾波變成直流電壓,然后經(jīng)SPWM方式全橋源。在此次設(shè)計(jì)中,我們考慮采用SPWM逆變技術(shù)。1逆變器及SPWM控制技術(shù)逆變器就是把直流電壓變換成固定或可調(diào)交流電壓的裝置。在逆變器的控制中,采用SPWM控制技術(shù),該技術(shù)可使逆變器的輸出電壓中的低次諧波得到很好的抑制和消除,高次諧波又能很容易除去,從而可獲得畸變率極低的正弦波輸出電壓。正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)是利用功率開(kāi)關(guān)器件(如IGBT)的導(dǎo)通和關(guān)斷,把直流電壓變換成脈寬按正弦規(guī)律

4、變化的電壓脈沖陣列,并通過(guò)控制電壓脈沖的寬度和電壓脈沖陣列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。SPWM波形的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化,SPWM波產(chǎn)生方法有3種,即分立元件電路、專用集成電路和單片機(jī)直接輸出。采用分立元件電路較復(fù)雜,有溫漂、影響精度、限制了系統(tǒng)的性能。SPWM專用集成電路產(chǎn)生SPWM波就是使用SPWM波產(chǎn)生專用芯片如HEF4752V,MITEL公司的SA8X8系列,IXYS公司的IXDP631等;還有一種方法是直接由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM波,現(xiàn)在有許多單片機(jī)如PIC17C42,MC68332等都具備三相SPWM波輸出功能。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用專用產(chǎn)生SPWM波的集成電路方法,選用

5、MITEL公司的單相SPWM波產(chǎn)生器SA8382,該芯片具逆變,變成120V的SPWM電壓,再經(jīng)升壓變壓器升壓為220V,50Hz交流電壓輸出,該系統(tǒng)CPU采用AT89C51,SPWM波形發(fā)生器采用SA8382,驅(qū)動(dòng)隔離電路采用EXB841,主電路采用高壓整流模塊和IGBT模塊,輸出采樣模塊使用ADC0809,單片機(jī)根據(jù)輸出采樣調(diào)整SA8382控制參數(shù),SA8382輸出所需脈寬的SPWM波給EXB841,EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT,產(chǎn)生交流電壓,從而使輸出電壓穩(wěn)定在220V,下面分別介紹系統(tǒng)各部分的工作特點(diǎn)和功能。圖1系統(tǒng)框圖211系統(tǒng)逆變主電路圖2為系統(tǒng)逆變主電路,其中:(1)系統(tǒng)中EMI濾波

6、器是為了防止穩(wěn)壓電源產(chǎn)生的噪聲進(jìn)入電網(wǎng),同時(shí)也為了防止電網(wǎng)的噪聲進(jìn)入穩(wěn)壓電源內(nèi)部,干擾穩(wěn)壓電源的正常工作。(2)啟動(dòng)浪涌電流抑制電路:電源啟動(dòng)時(shí)晶閘管SCR有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),可與單片機(jī)連接,完成外圍控制功能,使系統(tǒng)智能化,單片機(jī)只用很少的時(shí)間去控制他,因而有能力進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的檢收稿日期:2004062739制造與設(shè)計(jì)王一鏵等:基于單片機(jī)控制逆變穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)要改變運(yùn)行參數(shù)時(shí),才由單片機(jī)介入。SA8382具有12位頻率控制精度采用1215MHz時(shí)鐘時(shí),電源頻率可達(dá)到4kHz,載波頻率可達(dá)到24kHz,可在內(nèi)部ROM存儲(chǔ)波形,最小脈寬和死區(qū)時(shí)間可調(diào),具有2個(gè)TTL電平的P

7、WM輸出通道,可用于驅(qū)動(dòng)IGBT管,其關(guān)斷,由電阻R1限制啟動(dòng)浪涌電流,當(dāng)濾波電容C1充電過(guò)程完成后,觸發(fā)晶閘管使之導(dǎo)通,從而達(dá)到短接限流電阻的目的。封裝如圖4所示。各腳定義:AD0AD7地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線;RST、低電平有效;片選信號(hào);VDD正V;R寫選通;RD讀選;SETTRIP設(shè)置輸出封鎖;PWMT正PWM信號(hào),PWMR負(fù)PWM信號(hào)。SA8382由以下幾個(gè)部分組成:(1)初始化和控制模塊SA8382包括暫存器R0,R1,R2,虛擬寄存器R3,R4及24位初始化寄存器和24圖(3)L,壓或電流,L,C的選取可根據(jù)式L=01033USTS󰃗IS,C=01012TSISb

8、3255;US計(jì)算,式中US為電網(wǎng)額定電壓有效值,TS為正弦電流額定周期,IS為交流電流輸入有效值。(4)逆變器主電路采用IGBT模塊,橋臂Q1和Q4構(gòu)成位控制寄存器。一對(duì),Q2和Q3構(gòu)成一對(duì),成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通,兩對(duì)橋臂輪流導(dǎo)通,在SPWM波的控制下,單相逆變器輸出120VSPWM電壓,IGBT管易損壞,必須對(duì)其采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路,本系統(tǒng)中采用RCD緩沖電路。(5)升壓變壓器T1把120VSPWM電壓升壓至220V,L2,C6用于輸出濾波。圖4SA8382封裝圖212驅(qū)動(dòng)隔離電路采用富士公司的EXB841集成電路,SA8382輸出SPWM信號(hào)通過(guò)EXB841驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)IGBT管,該模塊隔離性

9、能好,抗干擾能力強(qiáng),同時(shí)具有過(guò)電流檢測(cè)及切斷電路等功能,SPWM波從15,14腳進(jìn)入,3腳輸出IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào),C1,C2用于觸發(fā)電源和1號(hào)輸出端的平波,EXB841可對(duì)IGBT進(jìn)行過(guò)流保護(hù),一旦EXB841檢測(cè)到(2)波形產(chǎn)生模塊SA8382根據(jù)地址發(fā)生器的信號(hào)從波形ROM中讀取波形數(shù)據(jù),然后通過(guò)相位控制邏輯,產(chǎn)生波形信號(hào)輸出。(3)輸出控制模塊該模塊由脈沖取消電路和脈沖延時(shí)電路組成,脈沖取消電路用來(lái)將脈沖寬度小于取消時(shí)間的脈沖去掉,延時(shí)電路保證死區(qū)間隔,以防止在轉(zhuǎn)換瞬間IGBT出現(xiàn)短路現(xiàn)象。圖5所示為AT89C51和SA8382的一種連接圖。過(guò)電流信號(hào),5腳為低電平,經(jīng)反相器向SA8382

10、發(fā)出保護(hù)高電平,封鎖各IGBT管的驅(qū)動(dòng)信號(hào),低速關(guān)斷IGBT,同時(shí)通知單片機(jī),發(fā)出報(bào)警信號(hào),如圖3所示。圖3驅(qū)動(dòng)隔離電路圖圖5AT89C5和SA8382的一種連接圖213SPWM波形發(fā)生器本系統(tǒng)采用SA8382PWM波形發(fā)生器,SA8382是全數(shù)字化的SPWM波生成集成電路,可與大多數(shù)微處理器兼容,亦可作為一片獨(dú)立使用的微處理器運(yùn)行,只有當(dāng)需40SA8382的編程:初始化寄存器中包括了在正常運(yùn)行過(guò)程中需要定義的參數(shù),如載波頻率、電源頻率最大值、脈沖延遲時(shí)間、脈沖取消時(shí)間,因此要在SPWM波輸出之前向初始化寄存器裝入有關(guān)的基本操作參數(shù),在SPWM輸出中這些數(shù)據(jù)一般不會(huì)改變,控制寄存器則用于控制運(yùn)

11、行過(guò)程中的SPWM輸出參數(shù)的調(diào)整,包括電源頻率設(shè)定、調(diào)制幅度設(shè)定等,一般要在初始化寄存器裝入數(shù)據(jù)之后,再向控制寄存器裝󰃞󰃜3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制過(guò)程是單片機(jī)AT89C51通過(guò)ADC0809采樣輸出電壓值,調(diào)整SA8382控制數(shù)據(jù)中的調(diào)制幅度值,具體說(shuō)就是如果輸出電壓過(guò)高,就逐漸減小調(diào)制幅度值,如果輸出電壓過(guò)低,就逐漸加大調(diào)制幅度值,從而使SA8382輸出的SPWM波的脈寬幅度隨輸出電壓值變化,使IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間發(fā)生變化,輸出電壓穩(wěn)定在220V,圖7為程序框圖。入或更新數(shù)據(jù)。對(duì)初始化寄存器編程時(shí),需把所要的初始化數(shù)據(jù)寫入R0,R1,R2后,再對(duì)虛擬寄存

12、器R4進(jìn)行寫操作,則初始化數(shù)據(jù)寫入初始化寄存器,寫控制字時(shí),把要寫入的數(shù)據(jù)存入R0,R1,R2,再對(duì)虛擬寄存器R3寫操作,則控制數(shù)據(jù)寫入控制寄存器,本系統(tǒng)中需根據(jù)輸出反饋來(lái)調(diào)整SA8382的控制字中的調(diào)制幅度值,即需在SPWM輸出過(guò)程中調(diào)整控制字的設(shè)置值。本例中載波頻率fcarr為6kHz,時(shí)鐘頻率fclk為6MHz,電源最大頻率frange選125Hz,電源頻率fpower為50Hz,脈沖延時(shí)時(shí)間Td為4s,脈沖取消時(shí)間Tpd為8s。SA8382的控制字選擇如下:(1)初始化寄存器的控制字(fcarr×512=3)n=fclk󰃗n=2(6×103)=8m=

13、frange×carr=×384󰃗m=8對(duì)應(yīng)R1中的FRS控制字為011-63pdy=Td×fcarr×512=4×10×6×10×512=13對(duì)應(yīng)R2中6位pdy控制字為110011-63pdt=(Td+Tpd)×fcarr×512=12×10×6×10×512=37圖6SA8382編程流程圖對(duì)應(yīng)R0中7位pdt控制字位為1011011通過(guò)以上計(jì)算初始化寄存器數(shù)據(jù)為R0:11011011R1:01100010R2:00110011。為01

14、100110,R1為00100110至于R2中的數(shù)據(jù)A根據(jù)式APOWER=A󰃗255×100來(lái)計(jì)算,APOWER為調(diào)制幅度值,需在控制過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整。SA8382編程流程圖如圖6所示。214CPU系統(tǒng)采用的AT89C51單片機(jī)是一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有4kb快閃可編程󰃗擦除只讀存儲(chǔ)器的8bCMOS微控制器,使用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造,并且與MCS51系列的引腳和指令完全兼容,具有較高的性價(jià)比。215輔助電源本系統(tǒng)需4路獨(dú)立、互不干擾的20V直流電源和一路5V直流電源,設(shè)計(jì)采用LM317M可調(diào)穩(wěn)壓器和7805穩(wěn)壓器。216輸出采樣反饋輸出電壓經(jīng)電壓變換電路變換后經(jīng)ADC0809采樣送往單片機(jī),由單片機(jī)進(jìn)行控制。4結(jié)語(yǔ)圖7程序框圖