基于16位单片机的逆变电源系统的设计

1、引言

    近来,逆变电源在各行各业的应用日益广泛。本文介绍了一种以16位单片机8XC196MC为内核的逆变电源系统的设计。8XC196MC片内集成了一个3相波形发生器WFG，这一外设装置大大简化了产生同步脉宽调制波形的控制软件和外部硬件，可构成最小单片机系统同时协调完成SPWM波形生成和整个系统的检测、保护、智能控制、通讯等功能。

2、  电源系统的基本原理

    该电源由蓄电池输入24V直流电，然后通过桥式逆变电路逆变成SPWM波形，经低通滤波器得到正弦波输出。SPWM波形由8XC196MC的3相波形发生器WFG产生，可输出所需电压和频率的正弦波。

3、  系统硬件设计

    该逆变电源系统可实现调频、调压功能。通过A/D转换，自动反馈调节电压，使输出波形稳定。三相电压值、频率可用数码管显示，通过使用MAX232E可与PC机通讯，实现远程控制与监测。该系统的硬件框图如图1所示。

3．1  SPWM波形产生电路

    SPWM波形是由8XC196MC的专用寄存器WFG控制下完成的。

WFG的功能特点：

    片内有3个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器、一个无信号时间（dead time）发生器和一对可编程的输出。WFG可产生独立的3对PWM波形，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式。一旦起动以后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。

WFG的工作原理：

1．时基发生器为SPWM建立载波周期。该周期值取决于WG-RELOAD的值

2．相位驱动通道决定SPWM波形的占空比，可编程输出，每个相位驱动器包含一个可编程的无信号时间发生器；

3．控制电路用来确定工作模式和其它寄存器配置信息。

WFG有2种中断：WFG中断和EXTINT中断。

WFG中断是重装载WG-COUNT时产生。不同的工作方式，有不同的重装载方式，每个PWM周期，方式0在WG-COUNT=WG-RELOAD时产生一次WFG中断，方式1在WG-COUNT=WG-RELOAD和WG-COUNT=1时都产生中断。

EXTINT中断由保护电路产生。可编程设置产生中断的方式，在整个系统检测过流信号，保护电力电子开关器件。

3．2 驱动与保护电路

    按照传统的逆变器驱动电路的设计，器件的开关动作需要靠独立的驱动电路来实现，并且要求驱动电路的供电电源要彼此隔离，这无疑增加了硬件电路的设计困难，降低了逆变电路的可靠性。为解决上述问题，本文选用了美国IR公司的驱动芯片IR2130。该芯片采用自举驱动方式，悬浮沟道设计使其能驱动母线电压小于600v的功率管，开关频率可以从几十赫兹到数百千赫兹。其内部自举技术的巧妙运用，可使其应用于高压系统，还可以对上下桥臂器件的门极驱动信号产生2微秒的互锁信号，而且设置了欠压保护功能，可方便的设计出过压、过流保护。

    在实际应用中应该注意一些问题，尤其是要严格设计选用自举二极管和自举电容。自举二极管的恢复时间很重要，本设计采用快速恢复二极管，其耐压值一定要大于母线峰值。自举电容的容量由功率管的栅极驱动要求和最大开通时间决定，必须保证电容充电到足够的电压，而放电时其两端电压不低于欠压保护动作值，一般驱动开关频率大于5K赫兹时，电容不应该小于0.1 。电源电容容量的匹配也十分重要，其值至少是自举电容的十倍。芯片内部自带过流保护功能，一旦发生过流或直通故障，能迅速关断PWM输出。

    该器件只要合理的选择自举电容，电源电容，自举二极管，驱动电路工作十分可靠。

3．3显示与通信接口

    显示部分采用HD7279A同时驱动8位共阴极数码管，该芯片完全由单片机控制，接口简单，控制方式灵活。

显示内容：三相电压，三相电流，频率，各种保护状态。

    与PC机通信使用MAX232E进行电平交换，该芯片产生TTL（单片机侧）电平和RS-232（PC机侧）电平。串行通信口通过MAX232E与PC机串行口相连。

4、  系统软件设计

    软件程序设计是整个逆变电源系统的核心，它决定逆变电源输出的特性，如：电压范围及稳定度、谐波含量、保护功能的完善、可靠性等。软件框图如图2所示。

4．1 初始化

    计算一个周期内的正弦脉宽值，初始化I/O口和WFG波形发生器，设置载波周期和死区时间。

    在方式0中，载波周期T_C的计算公式为：

               Tc =(2×WG-RELOAD)/Fxtal (μs)

在忽略无信号时间的情况下，占空比为：

占空比=（WG-COMPx/WG-RELOAD）×100％

4．2频率调节和输出电压调节

    通过改变WG-RELOAD中的时间常数，可调节输出频率。通常保持同步调制关系，即频率调制比不变，mf=常量。在频率调节过程为保证输出电压不变，在改变G-RELOAD 内容的时，按比较地改变WG-COMPx 中的值。

    由于负载的变化，输出电压是不稳定的。要达到良好的动态稳压特性，采用输出电压反馈闭环控制。采用算法为增量数字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的结果修正各开关周期的脉宽，可以达到调节电压目的。

4．3对外串行接口程序

      8XC196MC单片机的串行通讯方式在实际应用中效果非常好，其灵活性和实用性是其它独立串口所无法比拟的。利用EPA和PTS实现串行通讯可完成与PC机的RS232方式的通信，进行数据的发送、上传。

5、实验分析

    采用以上方案，制造了一台样机进行试验。实验参数为：直流24V电压输入，载波频率9.6KH_Z，主回路功率管IRF540，直流侧电容C=470uF，变压器的匝数比1：10，输出滤波电感L_f=6mH，输出滤波电容C_f=30uF。

   图3为试验输出波形：

图3  输出电压波形

6、结论

    该电源设备结构合理，体积小、成本低、稳定。试验表明，逆变电源输出波形好，可实现调压调频，动态特性好，可靠性高。本文的创新点在于控制电路大为简化并且实现了全数字化，其系统能智能控制及远程监测。

参考文献:

[1]程军.intel80 C196单片机应用实践与C语言开发[M].北京:北京航空航天大学出版