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發(fā)布時(shí)間:2010-10-19 閱讀量:850 來(lái)源: 發(fā)布人:
1、引言
近來(lái),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(wú)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(wú)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:
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(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(wú)信號(hào)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(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(lái)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(wú)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(guó)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(wú)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(wú)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):
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