基于16位單片機的逆變電源系統(tǒng)的設計

摘要：介紹了一種以8XC196MC為內核的逆變電源系統(tǒng)。其逆變控制系統(tǒng)實現了全數字操作。逆變部分的SPWM控制脈沖波形完全由8XC196MC單片機生成,使用IR2130實現對功率管的驅動和保護,頻率電壓可由數碼管顯示,可用串口與上位機進行通訊.該系統(tǒng)硬件電路簡單，器件減少，結構緊湊，性價比高。經試驗表明：逆變電源輸出波形失真小，動態(tài)特性好，可靠性高。
關鍵字：8XC196MC逆變電路正弦脈寬調制波形發(fā)生器控制電路

1、引言

近來,逆變電源在各行各業(yè)的應用日益廣泛。本文介紹了一種以16位單片機8XC196MC為內核的逆變電源系統(tǒng)的設計。8XC196MC片內集成了一個3相波形發(fā)生器WFG，這一外設裝置大大簡化了產生同步脈寬調制波形的控制軟件和外部硬件，可構成最小單片機系統(tǒng)同時協(xié)調完成SPWM波形生成和整個系統(tǒng)的檢測、保護、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產生，可輸出所需電壓和頻率的正弦波。

3、 系統(tǒng)硬件設計

該逆變電源系統(tǒng)可實現調頻、調壓功能。通過A/D轉換，自動反饋調節(jié)電壓，使輸出波形穩(wěn)定。三相電壓值、頻率可用數碼管顯示，通過使用MAX232E可與PC機通訊，實現遠程控制與監(jiān)測。該系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

3．1 SPWM波形產生電路

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：

片內有3個同步的PWM模塊，每個模塊包含一個相位比較寄存器、一個無信號時間（dead time）發(fā)生器和一對可編程的輸出。WFG可產生獨立的3對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式。一旦起動以后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時加以干預。

WFG的工作原理：

1．時基發(fā)生器為SPWM建立載波周期。該周期值取決于WG-RELOAD的值；

2．相位驅動通道決定SPWM波形的占空比，可編程輸出，每個相位驅動器包含一個可編程的無信號時間發(fā)生器；

3．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時產生。不同的工作方式，有不同的重裝載方式，每個PWM周期，方式0在WG-COUNT=WG-RELOAD時產生一次WFG中斷，方式1在WG-COUNT=WG-RELOAD和WG-COUNT=1時都產生中斷。

EXTINT中斷由保護電路產生?？删幊淘O置產生中斷的方式，在整個系統(tǒng)檢測過流信號，保護電力電子開關器件。

3．2 驅動與保護電路

按照傳統(tǒng)的逆變器驅動電路的設計，器件的開關動作需要靠獨立的驅動電路來實現，并且要求驅動電路的供電電源要彼此隔離，這無疑增加了硬件電路的設計困難，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公司的驅動芯片IR2130。該芯片采用自舉驅動方式，懸浮溝道設計使其能驅動母線電壓小于600v的功率管，開關頻率可以從幾十赫茲到數百千赫茲。其內部自舉技術的巧妙運用，可使其應用于高壓系統(tǒng)，還可以對上下橋臂器件的門極驅動信號產生2微秒的互鎖信號，而且設置了欠壓保護功能，可方便的設計出過壓、過流保護。

在實際應用中應該注意一些問題，尤其是要嚴格設計選用自舉二極管和自舉電容。自舉二極管的恢復時間很重要，本設計采用快速恢復二極管，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動要求和最大開通時間決定，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時其兩端電壓不低于欠壓保護動作值，一般驅動開關頻率大于5K赫茲時，電容不應該小于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。芯片內部自帶過流保護功能，一旦發(fā)生過流或直通故障，能迅速關斷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，驅動電路工作十分可靠。

3．3顯示與通信接口

顯示部分采用HD7279A同時驅動8位共陰極數碼管，該芯片完全由單片機控制，接口簡單，控制方式靈活。

顯示內容：三相電壓，三相電流，頻率，各種保護狀態(tài)。

與PC機通信使用MAX232E進行電平交換，該芯片產生TTL（單片機側）電平和RS-232（PC機側）電平。串行通信口通過MAX232E與PC機串行口相連。

4、 系統(tǒng)軟件設計

4．1 初始化

計算一個周期內的正弦脈寬值，初始化I/O口和WFG波形發(fā)生器，設置載波周期和死區(qū)時間。

在方式0中，載波周期T_C的計算公式為：

Tc =(2WG-RELOAD)/Fxtal (μs)

在忽略無信號時間的情況下，占空比為：

占空比=（WG-COMPx/WG-RELOAD）100％

4．2頻率調節(jié)和輸出電壓調節(jié)

通過改變WG-RELOAD中的時間常數，可調節(jié)輸出頻率。通常保持同步調制關系，即頻率調制比不變，mf=常量。在頻率調節(jié)過程為保證輸出電壓不變，在改變G-RELOAD 內容的時，按比較地改變WG-COMPx 中的值。

由于負載的變化，輸出電壓是不穩(wěn)定的。要達到良好的動態(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的結果修正各開關周期的脈寬，可以達到調節(jié)電壓目的。

4．3對外串行接口程序

8XC196MC單片機的串行通訊方式在實際應用中效果非常好，其靈活性和實用性是其它獨立串口所無法比擬的。利用EPA和PTS實現串行通訊可完成與PC機的RS232方式的通信，進行數據的發(fā)送、上傳。

5、實驗分析

采用以上方案，制造了一臺樣機進行試驗。實驗參數為：直流24V電壓輸入，載波頻率9.6KH_Z，主回路功率管IRF540，直流側電容C=470uF，變壓器的匝數比1：10，輸出濾波電感L_f=6mH，輸出濾波電容C_f=30uF。

圖3為試驗輸出波形：

6、結論

該電源設備結構合理，體積小、成本低、穩(wěn)定。試驗表明，逆變電源輸出波形好，可實現調壓調頻，動態(tài)特性好，可靠性高。本文的創(chuàng)新點在于控制電路大為簡化并且實現了全數字化，其系統(tǒng)能智能控制及遠程監(jiān)測。

參考文獻:

[1]程軍.intel80 C196單片機應用實踐與C語言開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學出版