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《现代电子技术》2 0 0 4年第 2 4期思第 1 9 1

基于单片机控制逆变稳压电源的设计王一铧，黄耀志(福州大学机械工程及自动化学院福建福州 3 5 0 0 0 2 )

摘要：介绍了基于单片机、 S P WM逆变控制技术的新型稳压电源的设计，详述了该电源的主电路和控制系统结构，重

点介绍了S A8 3 8 2单相 S P WM发生器的应用，并给出了控制程序的框图。 关键词：单片机；AT8 9 C5 1;S P WM;S A8 3 8 2;稳压电源 中图分类号：TP 3 6 8 . 1 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 4— 3 7 3 X ( 2 0 0 4 )2 4— 0 3 9一。 3 De s i gn o f Si n gl e Chi p Mi c r o c o mp ut e r Co nt r o l I nv e r t e r Re g ul a t e d Powe r S upp l yW ANG Yi h u a .HU ANG Ya o z h i( Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n S c h o o l Fu z h o u Un i v e r s i t y F u z h o u 3 5 0 0 0 2.Ch i n a )

Ab s t r a c t:Thi s a r t i c l e p r e s e n t s t h e d e s i g n o f a n e w t y p e i n v e r t e r p o we r s u p p l y t h e s i n gl e c h i p mi c r o c o mp u t e r c o n t r o l t e c h n o l o g y a n d t h e SP W M i n v e r t e r c o n t r o l t e c hn o l o g y a r e u s e d . The s t r u c t u r e o f t h e ma i n c i r c u i t a n d c o n t r o l s y s t e m a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l,t hea p p l i c a t i o n o f SA8 3 8 2 a n d t h e f r a me p i c t u r e o f t h e c o n t r o l p r o g r a m a r e g i v e n .

Ke y wo r d s: s

i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r; AT8 9 C5 1; S PW M;SA8 3 8 2; r e g u l a t e d p o we r s u p p l y

本设计的目的是研制一种输入为市电，输出为 2 2 0 V,

成外围控制功能，使系统智能化，单片机只用很少的时间去控制他，因而有能力进行整个系统的检测、保护和控制。

5 0 H z的交流稳定电压，输出功率为5 k w的通信用单相稳压电源。在此次设计中，我们考虑采用 S P WM逆变技术。

2 系统介绍 1逆变器及 S P WM控制技术图 1为本系统的框图，该系统的工作原理是市电逆变器就是把直流电压变换成固定或可调交流电压的装置。在逆变器的控制中，采用 S P WM控制技术，该技 2 2 0 V经整流滤波变成直流电压，然后经 S P WM方式全桥逆变，变成1 2 0 V的S P wM电压，再经升压变压器升压为

术可使逆变器的输出电压中的低次谐波得到很好的抑制和消除，高次谐波又能很容易除去，从而可获得畸变率极

2 2 0 V, 5 0 Hz交流电压输出，该系统C P U采用 AT 8 9 C5 1, s P wM波形发生器采用 S A8 3 8 2,驱动隔离电路采用 E XB 8 4 1,主电路采用高压整流模块和I GB T模块，输出采样模块使用 ADC 0 8 0 9,单片机根据输出采样调整 S A8 3 8 2 控制参数， S A8 3 8 2输出所需脉宽的s P WM波给E X B 8 4 1, E X B 8 4 1驱动I GB T,产生交流电压，从而使输出电压稳定在2 2 0 V.下面分别介绍系统各部分的工作特点和功能。

低的正弦波输出电压。正弦脉宽调制技术 ( S P WM )是利用功率开关器件 (如I G B T)的导通和关断，把直流电压变换成脉宽按正弦规律变化的电压脉冲阵列 .并通过控制电压脉冲的宽度和电压脉冲阵列的周期以达到变压变频目 的的一种控制技术。S P WM波形的脉冲宽度按正弦规

律变化， S P WM波产生方法有 3种，即分立元件电路、专用集成电路和单片机直接输出。采用分立元件电路较复杂，有温漂、影响精度、限制了

系统的性能。S P WM专用集成电路产生 s P wM波就是使用 S P WM波产生专用芯片如 HE F 4 7 5 2 V. MI T E L公司的 S A8 X 8系列， I XY S 公司的I XD P 6 3 1等；还有一种方法是直接由单片机实现 S P WM波 .现在有许多单片机如 P I C 1 7 C 4 2,MC 6 8 3 3 2

等都具备三相 s P wM波输出功能。在本次系统设计中， 采用专用产生 s P wM波的集成电路方法，选用 MI TE L公司的单相S P WM波产生器S A8 3 8 2 .该芯片具有精度高、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，可与单片机连接，完

收稿日期：2 0 0 4— 0 6—2 7

( 2 )启动浪涌电流抑制电路：电源启动时晶闸管 s C R39

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王一铧等：基于单片机控制逆变稳压电源的设计关断，由电阻尺 限制启动浪涌电流，当滤波电容 C 充电过程完成后，触发晶闸管使之导通，从而达到短接限流电阻的目的。

兼容，亦可作为一片独立使用的微处理器运行，只有当需

要改变运行参数时，才由单片机介入。S A8 3 8 2具有 1 2位频率控制精度采用 1 2 . 5 MHz时钟时，电源频率可达到 4 k Hz,载波频率可达到 2 4 k Hz,可在内部 R 0M存储波形，最小脉宽和死区时间可调，具有 2个 TT L电平的

P W M输出通道，可用于驱动I G B T管，其封装如图 4所示。 各脚定义： AD O AD7地址和数据复用总线；R S T复位内部计数器、低电平有效； C L K时钟输入； C S片选信号； VD D正图 2 系统逆变电路图

电源；VS S接地端；WR写选通；R D读选通； AL E地址锁存信号； S E TT RI P设置输

( 3 )输入滤波采用 L, C滤波，平滑送给逆变电路的电压或电流，减小输入电流谐波，提高逆变系统的功率参数， L, C 的选取可根据式 L= 0 . 0 3 3 Us T / l s, C=0 . 0 1 2 T/ u计

出封锁；P wMT正 P WM信号，P WMR负 P WM信号。 S A8 3 8 2由以下几个部分组成： ( 1 )初始化和控制模块制寄存器。 S A8 3 8 2包括暂

存器R0, R1, R2,虚拟寄存器 R3,R4及 2 4位初始化寄存器和 2 4位控

算，式中【, s为电网额定电压有效值，丁为正弦电流额定周期， 为交流电流输入有效值。( 4 )逆变器主电路采用 I GB T模块，桥臂 Q 和Q 构成一

对， Q 和 Q。构成一对，成对桥臂同时导通，两对桥臂轮

流导通，在S P wM波的控制下，单相逆变器输出1 2 0 V

S P wM电压， I G B T管易损坏，必须对其采用适当的保护电路，本系统中采用 RC D缓冲电路。.

( 5 )升压变压器丁。把 1 2 0 VS P WM电压升压至图4 S A8 3 8 2封装图

2 2 0 V, L , C 用于输出滤波。 2 . 2驱动隔离电路

( 2 )波形产生模块生波形信号输出。

S A8 3 8 2根据地址发生器的信号

采用富士公司的 E X B 8 4 1集成电路，S A8 3 8 2输出 S P WM信号通过 E XB 8 4 1驱动模块驱动 I G B T管，该模块隔离性能好，抗干扰能力强，同时具有过电流检测及切断电路等功能，S P WM波从 1 5,1 4脚进入，3脚输出 I GB T

从波形R 0M中读取波形数据，然后通过相位控制逻辑，产 ( 3 )输出控制模块该模块由脉冲取消电路和脉冲延时电路组成，脉冲取消电路用来将脉冲宽度小于取消时间的脉冲去掉，延时电路保证死区间隔，以防止在转换瞬间I GB T出现短路现象。图 5所示为 AT8 9 C5 1和 S A8 3 8 2的一种连接图。

驱动信号，C ,C 用于触发电源和 1号输出端的平波，E XB 8 4 1可对I G B T进行过流保护，一旦 E XB 8 4 1检测到过电流信号， 5脚为低电平，经反相器向S A8 3 8 2发出保护高电平，封锁各 I GB T管的驱动信号，低速关断 I G B T,同时通知单片机，发出报警信号 .如图 3所示。

图3 驱动隔离电路图

图5 AT8 9 C5和 S A8 3 8 2的一种连接图

2 . 3 S P W M波形发生器

S A8 3 8 2的编程：初始化寄存器中包括了在正常运行过

本系统采用 S A8 3 8 2 P WM波形发生器，S A8 3 8 2是全数字化的 S P WM

波生成集成电路，可与大多数微处理器4 0

程中需要定义的参数，如载波频率、电源频率最大值、脉冲延迟时间、脉冲取消时间，因此要在S P WM波输出之前向初始

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化寄存器装入有关的基本操作参数，在S P WM输出中这些数据一般不会改变，控制寄存器则用于控制运行过程中的 S P WM输出参数的调整，包括电源频率设定、调制幅度设定等，一般要在初始化寄存器装入数据之后，再向控制寄存器装入或更新数据。对初始化寄存器编程时，需把所要的初始化数据写入 R 0, R1, R 2后，再对虚拟寄存器R4进行写操作，则初始化数据写入初始化寄存器，写控制字时，把要写入的数据存入R0,R1 .R 2,再对虚拟寄存器 R3写操作，则控制数据写入控制寄存器，本系统中需根据输出反馈来调整 S A8 3 8 2 的控制字中的调制幅度值，即需在S P wM输出过程中调整控制字的设置值。本例中载波频率为6 k Hz,时钟频率。 为 6 MHz,电源最大频率厂 T 选1 2 5 Hz .电源频率/ …为5 0 Hz . 脉冲延时时间为 4 s,脉冲取消时间丁p d为8 t t s。S A8 3 8 2的控制字选择如下：

3控制系统软件设计系统控制过程是单片机AT8 9 C5 1通过AD C 0 8 0 9采样

输出电压值，调整 S A8 3 8 2控制数据中的调制幅度值，具体说就是如果输出电压过高，就逐渐减小调制幅度值，如果输出电压过低，就逐渐加大调制幅度值，从而使S A8 3 8 2输出的 S P WM波的脉宽幅度随输出电压值变化，使 I GB T 的导通和关断时间发生变化，输出电压稳定在 2 2 0 V,图7 为程序框图。

( 1 )初始化寄存器的控制字n一 m/ (…× 5 1 2 )一 6× 1 0 / ( 6× 1 0× 5 1 2 )一 2

n一 2对应 R中的 C F S控制字为 0 1 0 一 ×3 8 4/￣一 1 2 5× 3 8 4/ ( 6× 1 0 )一 8 / 7/一 8对应 R1中的 F R S控制字为 0 1 1p d y— Td×/ ×5 1 2— 4× 1 0 × 6× 1 0× 5 1 2—

1 3

对应 R2中 6位

p d y控制字为 1 1 0 0 1 1p d t= ( Td+ T )×/ ,× 5 1 2— 1 2× 1 0一× 6× 1 0×5 1 2— 3 7

图6

n8 3 8 2编程流程图

对应 R 0中 7位 p d t控制字位为 1 0 1 1 0 1 1 通过以上计算初始化寄存器数据为 R 0: 1 1 0 1 1 0 1 1R1: 0 11 00 0 1 0 R2: 0 01 1 0 01 1。

( 2 )控制寄存器的控制字p f s— fp o w e r× 4 0 9 6/ J…一 5 0× 4 0 9 6/ 1 2 5— 1 6 3 8

对应 R0 . R1中 p f s控制字为 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0。

0M一 0不允许过调制， I NH一 1输出封锁无效，故 R。为 0 1 1 0 0 1 1 0, R 为 0 0 1 0 0 1 1 0

至于 R 2中的数据根据式 P o 一 A/ 2 5 5× 1 O 0%

来计算 . W E为调制幅度值，需在控制过程中动态调整。S A8 3 8 2编程流程图如图 6所示。2 . 4 CPU

图 7程序框图

系统采用的AT8 9 C5 1单片机是一种低功耗、高性能的

4 结语

片内含有 4 k b快闪可编程/擦除只读存储器的 8 b C MOS微控制器，使用高密度、非易失性存储技术制造，并且与 MC S一

本稳压电源经实际测试，输出正弦电压波形畸变率极低 .电压稳定，控制稳定性高，因而具有一定的推广价值。参考文献

5 1系列的引脚和指令完全兼容，具有较高的性价比。2 . 5 辅助电源

[ 1]陈国呈 . P WM变频调速技术[ M].北京：机械工业出版社 .1 9 9 8 .

本系统需 4路独立、互不干扰的2 0 V直流电源和一路 5

V直流电源，设计采用L M3 1 7 M可调稳压器和7 8 0 5稳压器。 2 . 6输出采样反馈输出电压经电压变换电路变换后经 AD C 0 8 0 9采样送

[ 2 1应建平，林渭勋 .电力电子技术基础[ M].北京：机械工业出版社，2 0 0 3 .

[ 3 2张燕宾 . S P W M变频调速应用技术 (第2版 )[ M3.北京：机械工业出版社，2 0 0 2 .

往单片机，由单片机进行控制。

作者简介王一铧男，硕士研究生。福州大学机械工程及自动化学院机械电子

工程专业。 黄耀志男，教授。福州大学机械工程及自动化学院。41