基于单片机的逆变电源系统设计1.docx
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基于单片机的逆变电源系统设计1
基于单片机的逆变电源系统设计[1]
第一章 逆变电源的数字化控制 2
1.1逆变电源数字化控制技术的发展 2
1.2传统逆变电源控制技术 2
1.2.1传统逆变电源控制技术的缺点 2
1.2.2传统逆变电源控制技术的改进 2
1.3逆变电源数字化控制技术的现状 2
1.3.1逆变电源控制技术数字化、智能化、网络化 2
1.3.2逆变电源数字化需要解决的一些难题 2
1.4逆变电源数字化的各种控制策略 2
1.4.1数字PI控制 2
1.4.2滑模变结构控制 2
1.4.3无差拍控制 2
1.4.4重复控制 2
第二章 推挽型逆变器的基础知识 2
2.1 开关型逆变器 2
2.2 推挽型电路 2
2.2.1 线路结构 2
2.2.2 工作原理 2
2.2.2推挽型逆变器的变压器设计 2
第三章 基于单片机的控制系统设计 2
3.1 系统硬件电路的设计 2
3.1.1 AT89C52单片机 2
3.1.2显示电路 2
3.1.3 A/D转换电路 2
3.1.4 SPWM波形电路 2
3.1.5 SA828主要特点 2
3.1.6 SA828工作原理 2
3.1.7内部结构及工作原理 2
3.1.8 SA828 初始化寄存器编程 2
3.1.9 SA828控制寄存器编程 2
3.2 系统软件的设计 2
3.2.1 初始化程序 2
3.2.2 主程序 2
3.2.3 SA838初始化及控制子程序 2
3.2.4 ADC0809的控制及数据处理子程序 2
3.2.5 数据处理及电压显示子程序 2
3.2.6 输出频率测试计算及显示子程序部分 2
第四章 联机调试及结果分析 2
4.1 联机调试情况 2
4.2 实验验证及结果分析 2
4.3结论 2
参考文献 2
第一章 逆变电源的数字化控制
周期之末来确定本次脉冲的宽度,即使这时系统发生了变化,也只能在下一个开关周期对脉冲宽度做出调整,所以现在逆变电源的数字化控制引起了广泛的关注。
1.4逆变电源数字化的各种控制策略
逆变电源数字控制方法成为当今电源研究领域的一个热点,与数字化相对应,各种各样的离散控制方法也纷纷涌现,包括数字比例-积分-微分(PI)调节器控制、无差拍控制、数字滑变结构控制、模糊控制以及各种神经网络控制等,从而有力地推动逆变电源控制技术的发展。
1.4.1数字PI控制
数字PI控制以参数简单、易整定等特点得到了广泛应用。
逆变器采用模拟数字PI控制时,如果只是输出电压的瞬时值反馈,其动态性能和非线性负载时的性能不会令人满意;如果是输出滤波电感或输出滤波电容的电流瞬时值引入反馈,其性能将得到较大改进,然而,庞大的模拟控制电路使控制系统的可靠性下降,调试复杂,不易于整定。
数字信号处理芯片的出现使这个问题得以迅速解决,如今各种补偿措施及控制方式可以很方便地应用于逆变电源的数字PI控制中,控制器参数修改方便,调试简单。
但是,数字PI控制算法应用到逆变电源的控制中,不可避免地产生了一些局限性:
一方面是系统的采样量化误差,降低了算法的分辨率,使得PI调节器的精度变差;另一方面,采样和计算延时使被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统,造成PI控制器设计困难,稳定性减小,随着高速专用芯片及高速A/D的发展,数字PI控制技术在逆变电源的控制中会有进一步的应用。
1.4.2滑模变结构控制
滑模变结构控制(sliding mode variable structure control,SVSC)最显著的特点是对参数变化和外部扰动不敏感,即鲁棒性强,加上其固有的开关特性,因此非常适用于闭环反馈控制的电能变换器。
基于微处理器的离散滑模控制使逆变器输出波形有较好的暂态响应,但系统的稳态性能不是很理想。
具有前馈控制的离散滑模控制系统[1],暂态性能和稳态精度得到提高,但如果系统过载时,滑模控制器的负担将变得非常重。
自矫正离散滑模控制可以解决这个问题。
逆变器的控制器由参数自适应的线性前馈控制器和非线性滑模控制器组成,滑模控制器仅在负载导致输出电压变化时产生控制力,稳态的控制力主要由前馈控制器提供,滑模控制器的切换面(超平面)是根据优化准则进行设计的。
1.4.3无差拍控制
无差拍控制(deadbeat control)是一种基于电路方程的控制方式,其控制的基本思想是将输出正弦参考波等间隔地划分为若干个取样周期,根据电路在每一取样周期的起始值,用电路理论算出关于取样周期中心对称的方波脉冲作用时,负载输出在取样周期末尾时的值。
这个输出值的大小,与方波脉冲的极性与宽度有关,适当控制方波脉冲的极性与宽度,就能使负载上的输出在取样周期的末后与输出参考波形相重合[2]。
不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度,就能在负载上获得谐波失真小的输出。
因此,即使在很低的开关频率下,无差拍控制也能够保证输出波形的质量,这是其它控制方法所不能做到的,但是,其也有局限性:
由于采样和计算时间的延迟,输出脉冲的占空比受到很大限制;对于系统参数的变化反应灵敏,如电源电压波动、负载变动,系统的鲁棒性差。
对于采样和计算延时的影响,一种方法是通过修改输出脉冲方式的方法来减小计算延时造成的占空比局限;另一种方法是通过状态观测器对系统状态提前进行预测,用观测值替代实际值进行控制,从而避免采样和计算延时对系统的影响。
为了提高系统的鲁棒性,一种方法是采用负载电流预测方法来减小负载变动对电源输出的影响,但实际改善的程度有限;另一种可行的方法是对系统参数进行在线辨识,从而实时确定控制器参数,以达到良好的控制效果。
但是,在线系统辨识的计算复杂度和存储量都非常大,一般的微处理器很难在很短的时间内完成,因此实现的可能性不大,所以还没有一种比较好的方法来解决无差拍控制鲁棒性差的问题。
正是由于无差拍控制在电源控制中的不足及局限性到目前还难以解决,使得无差拍控制在工业界的应用还有待不断的深入研究。
1.4.4重复控制
逆变器采用重复控制(repetitive control)是为了克服整流型非线性负载引起的输出波形周期性的畸变,它通常与其他PWM控制方式相结合。
重复控制的思想是假定前一周期出现的基波波形将在下一基波周期的同一时间重复出现,控制器根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校正信号,然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上,以消除后面各周期中将出现的重复畸变[3]。
虽然重复控制使系统获得了很好的静态性能,且易于实现,但该技术却不能够获得好的动态性能。
自适应重复控制方案成功地应用于逆变器的控制中。
模糊控制(fuzzy control)能够在准确性和简洁性之间取得平衡,有效地对复杂的电力电子系统做出判断和处理。
将模糊控制应用于逆变器,具有如下优点:
模糊控制器的设计不需被控对象的精确数学模型,并且有较强的鲁棒性和自适应性;查找模糊控制表只需占有处理器很少的时间,可采用较高采样率来补偿模糊规则和实际经验的偏差。
将输出电压和滤波电感电流反馈,即电压误差和电感电流作为输入模糊变量,可以实现逆变器的模糊控制,整流性负载时,其输出电压总谐波失真(total harmonic distortion,TH)小于5%,将模糊控制与无差拍控制相结合,可用来补偿由于非线性负载导致的电压降落,[5-6]。
模糊控制从模仿人的思维外特性入手,模仿人的模糊信息处理能力。
它对系统的控制是以人的经验为依据的,而人的经验正是反映人在思维过程中的判断、推理、归纳。
理论上已经证明,模糊控制可以任意精度逼近任何线性函数,但受到当前技术水平的限制,模糊变量的分档和模糊规则都受到一定的限制,隶属函数的确定还没有统一的理论指导,带有一定的人为因素,因此,模糊控制的精度有待于进一步提高。
此外神经网络控制是一种使用人工神经网络的控制方法。
因为人工神经网络是建立在强有力的数学基础上,所以它有很大的潜力,这个数学基础包括各种各样的已被充分理解的数学工具。
在无模型自适应控制器中,人工神经网络也是一个重要组成部分。
但由于神经网络的实现技术没有突破,还没有成功地应用于逆变电源的控制中。
第二章 推挽型逆变器的基础知识
2.1 开关型逆变器
广义地说,凡用半导体功率器件作为开关,将一种电源形态转变为另一种形态的主电路都叫做开关变换电路,这种变换可以是交流电和直流电之间的变换,也可以是电压或电流幅值的变换,或者是交流电的频率、相数等的变换。
按电力电子的习惯称谓,基本的电力电子电路可以分为四大类型,即AC——DC电路、DC——AC电路、AC——AC电路、DC——DC电路。
本文中的逆变电路就属DC——AC电路。
开关逆变器中的开关都是在某一固定频率下工作,这种保持开关频率恒定,但改变接通时间长短(即脉冲宽度),使负载变化时,负载上电压变化不大的方法,称脉宽调制法(Pluse Width Modulation,简称为PWM)[4]。
由于电子开关按外加控制脉冲而通断,控制与本身流过的电流、二端所加的电压无关,因此电子开关称为“硬开关” 。
凡用脉宽调制方式控制电子开关的开关逆变器,称为PWM开关型逆变器。
本文是用SPWM专用产生芯片控制电子开关的通断,属硬开关技术。
相对应有另一类控制技术“软开关” ,它是一种使电子开关在其两端电压为零时导通电流,或使流过电子开关电流为零时关断的控制技术。
软开关的开通、关断损耗理想值为零,损耗很小,开关频率可以做到很高。
2.2 推挽型电路
各种变换电路按其是否具备电能回馈能力分为非回馈型和回馈型,非回馈型电路按其输出端与输入端是否电气个力分为非隔离型和隔离型。
隔离型电路又分为正激型、反激型、半桥型、全桥型和推挽型。
带中心抽头变压器原边两组线圈轮流工作的线路一般称为推挽线路,它不太适合离线变换器的应用。
推挽型电路的一个突出优点是变压器双边励磁,在输入回路中仅有1个开关的通态压降,而半桥型电路和全桥型电路都有2个,因此在同样的条件下,产生的通态损耗较小,而且不需驱动隔离,驱动电路简单,这对很多输入电压较低的电源十分有利,因此低电压输入类电源应用推挽型电路比较合适。
但是功率开关所承受的电压应大于2 。
2.2.1 线路结构
图1-1 推挽型电路原理图
推挽型电路的原理图如图1-1所示。
主变压器 原边绕组 接成推挽形式,副变绕组 接成全波整流形式。
2.2.2 工作原理
由于驱动电路作用,两个功率开关管 、 交替导通。
当 导通时, 加到 上,所有带“.” 端为正。
功率开关管 通过变压器耦合作用承受 的电压。
副边绕组 “.” 为正,电流流经 、L到负载上。
原边电流是负载折算至原边的电流及原边电感所定的磁化电流之和。
导通期间,原边电流随时间而增加,导通时间由驱动电路决定。
关断时,由于原边能量的储存和漏电感的原因, 的漏极电压将升高.
2.2.2推挽型逆变器的变压器设计
推挽型逆变器设计在整个电源的设计过程中具有最为重要的地位,一旦完成设计,不宜轻易改变,因此设计时对各方面问题考虑周全,避免返工,造成时间和经费的浪费。
下面介绍具体设计。
变压器是开关电源中的核心元件,许多其他主电路元器件的参数设计都依赖于变压器的参数,因此应该首先进行变压器的设计。
高频变压器工作时的电压、电流都不是正弦波,因此其工作状况同工频变压器是很不一样的,设计公式也有所不同。
需要设计的参数是电压比、铁心的形式和尺寸、各绕组匝数、导体截面积和绕组结构等,所依据的参数是工作电压、工作电流和工作频率等[5]。
另外,变压器兼有储能,限流,隔离的作用.在磁心大小,原边电感,气隙大小,原,副边线圈匝数的选择,以及在磁心内直流成分和交流成分之间的相互影响都应在设计中细致考虑.
第三章 基于单片机的控制系统设计
按照设计的要求,基于单片机AT89C52的设计主要实现以下功能:
SA828的初始化及控制、ADC0809采样的数据的处理和输出显示电压频率。
选用单片机作为主控器件,控制部分的原理框图如下:
图3-1 控制系统原理框图
3.1 系统硬件电路的设计
图3-2为控制部分的电路原理图。
电路主要由AT89C52单片机、四位显示及驱动电路、AD采样电路、复位电路等组成。
图3-2
3.1.1 AT89C52单片机
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS 8为单片机,片内含8k bytes 的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统及8052善拼引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
[6]
主要性能参数:
与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
8k字节可充擦写Flash闪速存储器
1000次擦写周期
全静态操作:
0Hz—24MHz
三级加密程序存储器
256×8字节内部RAM
32个可变成I/O口线
3个16位定时计数器
8个中断源
可编程串行UART通道
低功耗空闲和掉电模式
功能特性概述:
AT89C52提供以下标准功能:
8k字节Flash闪速存储器,256字节内部RAM,32个I/O口线,3个16位定时/计数器,一个6向量两极中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时器/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
引脚功能:
Vcc:
电源电压
GND:
地
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口:
P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P1写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部技术输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)。
Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。
P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX @RI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,他们被内部上拉电阻拉高可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口出了作为一般的I/O线外,更重要的用途是它的第二功能,如下表:
端口引脚 第二功能
P3.0 RXD(串行输入口)
P3.1 TXD(串行输出口)
P3.2 (外中断0)
P3.3 (外中断1)
P3.4 T0(定时/计数器0)
P3.5 T1(定时/计数器1)
P3.6 (外部数据存储器写选通)
P3.7 (外部数据存储器读选通)
此外,P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个周期以上高电平将使单片机复位。
XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
对于本次设计的引脚使用情况如下:
P1口:
控制LED数码管8位段码;
P3.0,P3.1,P3.4,P3.5:
数码管位选通口;
XTAL:
接晶振;
RST:
接复位电路;
P0:
ADC0809的结果输入;SA828的控制字口;
P2.0:
SA828的片选;
P2.7:
ADC0809的片选;
P3.2:
外部中断0 .
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256×8位的随机存取数据存储器(RAM),3个16位定时/计数器、6个中断源、低功耗空闲和掉电方式等特点。
器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,可以满足系统要求。
系统采用5V电源电压,外接12M晶振。
3.1.2显示电路
显示的方法分为动态显示和静态显示。
所谓静态显示就是在同一时刻只显示一种字符,其显示方法简单,只需将显示段码送至段码口,并把位控字送至位控口即可。
动态显示是利用人眼对视觉的残留效应,采用动态扫描显示的方法。
[7]本设计采用动态显示,显示电路采用四位一体共阳极LED数码管,从P1口输出段码,位选控制端接于P3.0,P3.1,P3.4,P3.5。
段驱动采用74LS245,位选驱动采用74LS244。
硬件连接图如下:
图3-3 显示部分硬件连接图
3.1.3 A/D转换电路
A/D转换器采用集成电路0809完成,0809是8位MOS型A/D转换器。
[]
1).主要特性
① 8路8位A/D转换器,即分辨率8位;
② 具有转换起停控制端;
③ 转换时间为100μs;
④ 单个+5V电源供电 ;
⑤ 模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准;
⑥ 工作温度范围为-40~+85摄氏度;
⑦ 低功耗,约15mW。
2).内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,内部结构如图所示,它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。
因此,ADC0809可处理8路模拟量输入,且有三态输出能力,既可与各种微处理器相连,也可单独工作。
输入输出与TTL兼容。
图3-4ADC0809内部结构框图
3).外部特性(引脚功能)
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,如图3-5 所示。
下面说明各引脚功能。
IN0~IN7:
8路模拟量输入端。
2-1~2-8:
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC:
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路。
如表所示。
ALE:
地址锁存允许信号,输入,高电平有效。
图 3-5 ADC0809引脚图
START:
A/D转换启动信号,输入,高电平有效。
EOC:
A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平
(转换期间一直为低电平)。
OE:
数据输出允许信号,输入,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
CLK:
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF(+)、REF(-):
基准电压。
Vcc:
电源,单一+5V。
GND:
地。
表3-6 ADDA、ADDB、ADDC真值表
ADC0809的工作过程是:
首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动 A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。
直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平 时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。
4).AD0809与控制电路的连接如下图:
图 3-7 AD0809的连接电路
3.1.4 SPWM波形电路
由于逆变开关管的开关时间要由载波与调制波的交点来决定。
在调制波的频率、幅值和载波的频率这3项参数中.不论哪一项发生变化时,都使得载波与调制波的交点发生变化。
因此,在每一次调整时,都要重新计算交点的坐标。
显然,单片机的计算能力和速度不足以胜任这项任务。
过去通常的作法是:
对计算作一些简化,并事先计算出交点坐标.将其制成表格,使用时进行查表调用。
但即使这样,单片机的负担也很重。
为了减轻单片机的负担,一些厂商推出了专用于生成三相或单相SPWM波控制信号的大规模集成电路芯片,如HEF4752、SLE4520、SA828、SA838等等。
采用这样的集成电路芯片,可以大大地减轻单片机的负担,使单片机可以空出大量的机时用于检测和监控。
这里详细介绍SA828三相SPWM波控制芯片的主要特点、原理和编程。
3.1.5 SA828主要特点
⑴.适用于英特尔和摩托罗拉两种总线格式,接口通用性好, 编程,操作简单,方便,快捷。
⑵.应用常用的对称的双边采样法产生PWM波形, 波形产生数字化,无时漂,无温漂稳定性好。
⑶.在外接时钟频率为12.5MHZ时载波频率可高达24KHZ,可实现静音运行。
最小脉宽和死区时间通过软件设置完成,既节约了硬件成本,又使修改灵活方便。
调制频率范围宽,精度高(12位),输出正弦波频率可达4KHZ,可实现高频率高精度控制及光滑的变频.。
⑷.在电路不变的情况下, 通过修改控制暂存器参数,就可改变逆变器性能指标,驱动不同负载或工作于不同工况。
⑸.可通过改变输出SPWM脉冲的相序实现电机的正反转。
⑹.独立封锁端可瞬时封锁输出PWM脉冲亦使微处理器防止突然事件的发生。
3.1.6 SA828工作原理
SA828是MITEL公司推出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成芯片。
它既可以单独使用,也可以与大多数型号的单片机接口。
该芯片的主要特点为:
全数字控制;兼容Intel系列和MOTOROLA系列单片机;输出调制波频率范围0—4kHz;12位调速分辨率;载波频率最高可达24kHz;内部R
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- 基于 单片机 电源 系统 设计