基于高性能單片機(jī)的功率直流開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

4.2 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為了精確控制開(kāi)關(guān)電路的電壓輸出，本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)。根據(jù)電壓控制算法(可采用改進(jìn)的PID 控制算法)設(shè)置單片機(jī)產(chǎn)生不同占空比的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器控制開(kāi)關(guān)器件，調(diào)整電路輸出設(shè)定的電壓值。要使IGBT 正常工作，合適的驅(qū)動(dòng)是至關(guān)重要的。驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)是將控制電路發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間、可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路通常還具有電氣隔離及電力電子器件的保護(hù)等功能。本系統(tǒng)采用富士電機(jī)公司的EXB系列的EXB841 型集成驅(qū)動(dòng)器對(duì)IGBT 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[4]。

4.3 傳感器輸入通道與A/D 轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)通過(guò)電壓傳感器采集電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換被單片機(jī)接收。本系統(tǒng)采用CHV 系列霍爾電壓傳感器采集電壓，采用μpsd3354 單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，線路連接簡(jiǎn)單，精度最大為5mV?；灸軡M足控制要求。

4.4 鍵盤(pán)和顯示電路

功率直流電源的鍵盤(pán)和顯示電路部分都裝在操作面板上，由單片機(jī)控制。本系統(tǒng)采用自制4×4 矩陣鍵盤(pán)，以單片機(jī)的PB4～PB7 做輸出線，PB0～PB3 做輸入線。顯示部分采用動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示，以專(zhuān)用的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

4.5 其他輔助電路

為了使功率直流電源能夠可靠、安全的工作。電源系統(tǒng)中還有一些輔助電路，過(guò)熱、過(guò)流和短路保護(hù)等。另外，還設(shè)有輔助電源部分，提供系統(tǒng)所需電源。

5. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)以下功能：鍵盤(pán)掃描、數(shù)碼顯示、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字PID 調(diào)節(jié)和PWM 波形產(chǎn)生等。鍵盤(pán)掃描和數(shù)碼顯示這里不作介紹，本設(shè)計(jì)主要是采用軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)功率直流電源的數(shù)字控制。

5.1 主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。主流程在完成各種變量和I/O初始化后，可以輸入期望電壓值并存入寄存器，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，啟動(dòng)電源系統(tǒng)，這里設(shè)定啟動(dòng)時(shí)，使PWM輸出占空比為最小值，即0.1％。啟動(dòng)后，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序并讀入鍵值，將反饋電壓值與給定電壓值相比較后，調(diào)用PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，更新驅(qū)動(dòng)波形的占空比，然后調(diào)用PWM產(chǎn)生子程序輸出PWM信號(hào)，并通過(guò)顯示子程序顯示輸出電壓。

圖4 主程序流程圖 圖5 PID調(diào)節(jié)子程序流程圖

5.2 A/D轉(zhuǎn)換部分子程序

直接利用單片機(jī)10位ADC口，A/D轉(zhuǎn)換部分程序比較簡(jiǎn)單，程序只要完成如下功能：選擇模擬輸入通道，并預(yù)制分頻數(shù)；配置控制寄存器ACON；讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，返還ADTA0、ADTA1中的數(shù)據(jù)。

5.3 PID調(diào)節(jié)子程序

PID調(diào)節(jié)由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)對(duì)給定信號(hào)與反饋信號(hào)相減得到的誤差來(lái)計(jì)算調(diào)整量，用以控制開(kāi)關(guān)的占空比。算法中，做了一點(diǎn)修正，當(dāng)偏差與積分符號(hào)相反時(shí)，積分清零。因?yàn)槿舴?hào)相反，說(shuō)明積分項(xiàng)起了反作用，故把積分項(xiàng)清零[5]。PID控制流程圖如圖5所示，參數(shù)KP、KI、KD在調(diào)試過(guò)程中設(shè)定。

6. 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)將開(kāi)關(guān)電源與單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一種輸出電壓連續(xù)可調(diào)的功率開(kāi)關(guān)電源。該電源精度高，電路簡(jiǎn)單，操作靈活，具有良好的應(yīng)用前景。單片機(jī)控制直流電源符合電力電子新技術(shù)產(chǎn)品向“四化”方向發(fā)展的要求，即應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產(chǎn)品性能的綠色化。