基于單片機控制逆變穩(wěn)壓電源的設(shè)計

1、󰃞󰃜基于單片機控制逆變穩(wěn)壓電源的設(shè)計王一鏵,黃耀志(福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院福建福州350002)摘要:介紹了基于單片機、SPWM逆變控制技術(shù)的新型穩(wěn)壓電源的設(shè)計,詳述了該電源的主電路和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),重點介紹了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;AT89C51;SPWM;SA8382;穩(wěn)壓電源中圖分類號:TP36811文獻標(biāo)識碼:B文章編號:373X(03DesignofSingleChipMicrocomGiutomatil,U,Fuzhou,350002,China)Abstract:Tofatypeinvert

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

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、保護和控制。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,并通過控制電壓脈沖的寬度和電壓脈沖陣列的周期以達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實現(xiàn)SPWM波,現(xiàn)在有許多單片機如PIC17C42,MC68332等都具備三相SPWM波輸出功能。在本次系統(tǒng)設(shè)計中,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)生的噪聲進入電網(wǎng),同時也為了防止電網(wǎng)的噪聲進入穩(wěn)壓電源內(nèi)部,干擾穩(wěn)壓電源的正常工作。(2)啟動浪涌電流抑制電路:電源啟動時晶閘管SCR有精度高、抗干擾能力強、外圍電路簡單等優(yōu)點,可與單片機連接,完成外圍控制功能,使系統(tǒng)智能化,單片機只用很少的時間去控制他,因而有能力進行整個系統(tǒng)的檢收稿日期:2004062739制造與設(shè)計王一鏵等:基于單片機控制逆變穩(wěn)壓電源的設(shè)計要改變運行參數(shù)時,才由單片機介入。SA8382具有12位頻率控制精度采用1215MHz時鐘時,電源頻率可達到4kHz,載波頻率可達到24kHz,可在內(nèi)部ROM存儲波形,最小脈寬和死區(qū)時間可調(diào),具有2個TTL電平的P

7、WM輸出通道,可用于驅(qū)動IGBT管,其關(guān)斷,由電阻R1限制啟動浪涌電流,當(dāng)濾波電容C1充電過程完成后,觸發(fā)晶閘管使之導(dǎo)通,從而達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;VDD正V;R寫選通;RD讀選;SETTRIP設(shè)置輸出封鎖;PWMT正PWM信號,PWMR負PWM信號。SA8382由以下幾個部分組成:(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,Q2和Q3構(gòu)成一對,成對橋臂同時導(dǎo)通,兩對橋臂輪流導(dǎo)通,在SPWM波的控制下,單相逆變器輸出120VSPWM電壓,IGBT管易損壞,必須對其采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo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)動隔離電路采用富士公司的EXB841集成電路,SA8382輸出SPWM信號通過EXB841驅(qū)動模塊驅(qū)動IGBT管,該模塊隔離性

9、能好,抗干擾能力強,同時具有過電流檢測及切斷電路等功能,SPWM波從15,14腳進入,3腳輸出IGBT驅(qū)動信號,C1,C2用于觸發(fā)電源和1號輸出端的平波,EXB841可對IGBT進行過流保護,一旦EXB841檢測到(2)波形產(chǎn)生模塊SA8382根據(jù)地址發(fā)生器的信號從波形ROM中讀取波形數(shù)據(jù),然后通過相位控制邏輯,產(chǎn)生波形信號輸出。(3)輸出控制模塊該模塊由脈沖取消電路和脈沖延時電路組成,脈沖取消電路用來將脈沖寬度小于取消時間的脈沖去掉,延時電路保證死區(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。過電流信號,5腳為低電平,經(jīng)反相器向SA8382

10、發(fā)出保護高電平,封鎖各IGBT管的驅(qū)動信號,低速關(guān)斷IGBT,同時通知單片機,發(fā)出報警信號,如圖3所示。圖3驅(qū)動隔離電路圖圖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,亦可作為一片獨立使用的微處理器運行,只有當(dāng)需40SA8382的編程:初始化寄存器中包括了在正常運行過程中需要定義的參數(shù),如載波頻率、電源頻率最大值、脈沖延遲時間、脈沖取消時間,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)一般不會改變,控制寄存器則用于控制運

11、行過程中的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)計系統(tǒng)控制過程是單片機AT89C51通過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,具體說就是如果輸出電壓過高,就逐漸減小調(diào)制幅度值,如果輸出電壓過低,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)。對初始化寄存器編程時,需把所要的初始化數(shù)據(jù)寫入R0,R1,R2后,再對虛擬寄存

12、器R4進行寫操作,則初始化數(shù)據(jù)寫入初始化寄存器,寫控制字時,把要寫入的數(shù)據(jù)存入R0,R1,R2,再對虛擬寄存器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)輸出反饋來調(diào)整SA8382的控制字中的調(diào)制幅度值,即需在SPWM輸出過程中調(diào)整控制字的設(shè)置值。本例中載波頻率fcarr為6kHz,時鐘頻率fclk為6MHz,電源最大頻率frange選125Hz,電源頻率fpower為50Hz,脈沖延時時間Td為4s,脈沖取消時間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對應(yīng)R1中的FRS控制字為011-63pdy=Td×fcarr×512=4×10×6×10×512=13對應(yīng)R2中6位pdy控制字為110011-63pdt=(Td+Tpd)×fcarr×512=12×10×6×10×512=37圖6SA8382編程流程圖對應(yīng)R0中7位pdt控制字位為1011011通過以上計算初始化寄存器數(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來計算,APOWER為調(diào)制幅度值,需在控制過程中動態(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󰃗擦除只讀存儲器的8bCMOS微控制器,使用高密度、非易失性存儲技術(shù)制造,并且與MCS51系列的引腳和指令完全兼容,具有較高的性價比。215輔助電源本系統(tǒng)需4路獨立、互不干擾的20V直流電源和一路5V直流電源,設(shè)計采用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,由單片機進行控制。4結(jié)語圖7程序框圖