基于單片機(jī)控制的DC/AC變換

利用微處理器控制產(chǎn)生SPWM(正弦脈寬調(diào)制)是實(shí)現(xiàn)DC/AC變換的重要技術(shù)之一。其基本工作原理是根據(jù)能量等效原則，用其每個(gè)周期內(nèi)的N等份矩形波替換正弦波, 而每份矩形波的寬度與其對(duì)應(yīng)正弦波所包含的面積成比例。由此計(jì)算出正弦波半個(gè)周期內(nèi)所對(duì)應(yīng)各矩形波的寬度值，和在一定范圍不同輸出時(shí)各組矩形波寬度的數(shù)據(jù)。將該數(shù)據(jù)存于內(nèi)存中，為便于讀取數(shù)據(jù)和提高速度，最好每組數(shù)據(jù)占用內(nèi)存的一頁（256字節(jié)，不滿時(shí)后面可空著）?？刂撇糠种饕蓡纹瑱C(jī)，可預(yù)置計(jì)數(shù)器及相應(yīng)檢測(cè)和部分邏輯電路組成。工作時(shí)，單片機(jī)兩個(gè)定時(shí)器T0和T1分別產(chǎn)生正弦波T/2定時(shí)和矩形波周期定時(shí)，T0用于控制相應(yīng)電路改變其正弦波輸出的極性，即正負(fù)半周。定時(shí)開始，計(jì)算機(jī)從一組數(shù)據(jù)順序取出各矩形波寬度的數(shù)值并寫入可予置計(jì)數(shù)器，用于控制該脈沖寬度。取數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間由T1控制。單片機(jī)對(duì)輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)并與標(biāo)準(zhǔn)值比較，根據(jù)比較結(jié)果決定從內(nèi)存所取數(shù)據(jù)的區(qū)域，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出的目的。本設(shè)計(jì)采用較流行的MCS—51系列單片機(jī)作為主控CPU，因單片機(jī)性能優(yōu)越，且集成度高，不但可提高整機(jī)性能還可使電路簡(jiǎn)捷。對(duì)常用的輸出電壓采樣和A/D變換，精度和速度受芯片本身影響較大。對(duì)DC/AC電源，一般輸出為穩(wěn)定電壓，在一定范圍內(nèi)過高或過低都必須進(jìn)行調(diào)整，故此沒有必要非用A/D轉(zhuǎn)換不可，因此我們采用比較器，并通過微處理器來完成穩(wěn)壓功能，這樣不但可達(dá)到高精度、高速度，還可簡(jiǎn)化電路降低成本。為保證電路可靠工作，在過流或過壓、無輸出檢測(cè)和報(bào)警方面均采取了較強(qiáng)措施。

DC/AC電源原理整體框圖如圖1所示,電路主要由低通濾波、SPWM發(fā)生器、輸出調(diào)節(jié)故障判斷、高頻開關(guān)變換、正、負(fù)半周合成、平滑等部分組成。本文主要討論其核心部分，即以單片機(jī)為主的SPWM波發(fā)生及相應(yīng)的檢測(cè)控制電路。該部分原理如圖2所示。U1為主控CPU8031，U2、U3為74LS373和27256，用于存放一定范圍內(nèi)不同輸出時(shí)各組SPWM矩形波寬度的數(shù)據(jù)，U4、U5為可預(yù)置計(jì)數(shù)器74LS161，兩片組成8位計(jì)數(shù)器，在4MHz時(shí)鐘下產(chǎn)生0。25～64mS寬度的定時(shí)，U6～U9為檢測(cè)和控制邏輯。8031內(nèi)部定時(shí)器T0用于AC輸出(T/2)定時(shí)。T用于SPWM矩形波的周期定時(shí)。AC輸出的正負(fù)半周由P1.0控制。SPWM波由D觸發(fā)器U6：B輸出，經(jīng)74LS00和74LS04分別接正負(fù)半周功率變換驅(qū)動(dòng)電路。輸出檢測(cè)比較電路給出的輸出范圍信號(hào)VOL和VOH加在P1.1和P1.2腳，當(dāng)輸出低于正常值時(shí)，VOL=“0”，VOH=“1”；而輸出高于正常值時(shí)，VOL=“1”，VOH=“0”。經(jīng)檢測(cè)電路獲取的輸入欠壓、輸入過壓、輸入過流和輸出過壓、無輸出信號(hào)及Watchdog信號(hào)經(jīng)線與取反后與8031的RESET端相連，任何一個(gè)故障的發(fā)生均可使CPU復(fù)位，以保護(hù)設(shè)備。

CPU上電自動(dòng)復(fù)位初始化后，T0、T1開始定時(shí)，T0每定時(shí)到P1.0取反，控制AC正負(fù)半周的輸出。CPU控制AC從最低輸出開始（軟啟動(dòng)），T1定時(shí)到則從EPROM取出相應(yīng)脈寬數(shù)據(jù)，寫入可預(yù)置計(jì)數(shù)器，同時(shí)使U6：A的Q輸出為“0”，U6：B的Q輸出為“1”，功率變換管導(dǎo)通?？深A(yù)置計(jì)數(shù)器在4MHZ時(shí)鐘的作用下從預(yù)置值開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)U5的Tc=“1”，U6：A的Q=“1”，U6：B的Q=“0”，功率變換管截止，一個(gè)矩形波輸出完成，CPU將本半周內(nèi)的各矩形波按順序依次輸出。T0定時(shí)時(shí)間到（每半周）檢測(cè)一次輸出幅度，當(dāng)輸出較正常值低時(shí)(VOL=“0”)，讀取脈寬數(shù)據(jù)的高位地址加1，當(dāng)輸出較正常值高時(shí)(VOH=“0”)，則讀取脈寬數(shù)據(jù)的高位地址減1；正常輸出時(shí)則維持當(dāng)前地址不變。另半周的輸出與此完全相同，最后由波形合成電路實(shí)現(xiàn)完整輸出。為保證整機(jī)可靠工作，該電路采用了較完善的死機(jī)自動(dòng)恢復(fù)和各種故障檢測(cè)、保護(hù)和報(bào)警設(shè)計(jì)。輸入過壓、欠壓、過流、輸出過壓和無輸出任一故障均可使計(jì)算機(jī)自動(dòng)復(fù)位，前四種故障同時(shí)將驅(qū)動(dòng)電路封死使輸出為零，以保護(hù)內(nèi)外設(shè)備。當(dāng)故障不能排除時(shí)，則發(fā)出聲、光報(bào)警。

因該控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故軟件也較簡(jiǎn)潔，現(xiàn)將我們以該技術(shù)為核心研制《HJD—04大型數(shù)字程控交換機(jī)DC/AC（鈴流）電源》的源程序給出。該DC/AC電源主要指標(biāo)為：DC輸入—48V，AC輸出75V、1A、25Hz，主變換頻率20KHz，效率≥75%。

以該技術(shù)為核心研制的《HJD-04大型數(shù)字程控交換機(jī)DC/AC(鈴流)電源》已經(jīng)通過了由河南省科委組織的技術(shù)鑒定，綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。與通用DC/AC技術(shù)相比較，既沒有使用A/D也沒有使用D/A，電路簡(jiǎn)潔明了，安全可靠。■

參考文獻(xiàn)

1 涂時(shí)亮,單片微機(jī)MCS-51用戶手冊(cè),復(fù)旦大學(xué)出版社，1990。

2 李成章,電源（中小型UPS不間斷電源及直流穩(wěn)壓電源）,電子工業(yè)出版社，1990。