CN201601622U - 一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器 - Google Patents

一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器 Download PDF

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刘俊
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Abstract

本实用新型涉及一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器，是一种能量反馈逆变装置(亦称节能型电子负载)。本实用新型包括单片机控制电路单元、SPWM波形产生电路单元、DC/AC变换主电路单元，其中单片机控制电路单元采用AT89C52芯片，SPWM波形产生电路单元采用定时器NE555芯片、数模转换DAC0800芯片和比较器LM393芯片构成，DC/AC变换主电路单元采用IGBT开关管构成半桥逆变主电路。本实用新型充分利用单片机内部资源，使系统硬件电路设计达到了最小化，并能通过软件自动实时地对市电信号进行同步锁相跟踪，保证能量反馈逆变装置高效可靠地运行。

Description

一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器
所属技术领域
本实用新型涉及一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器。
背景技术
目前，能源紧缺使得如何高效利用电能一直是电力系统研究的热点，能量反馈逆变装置，亦称节能型电子负载，是一种以高频电能变换理论为基础，运用能量反馈的方法将各种待测试或进入试运行阶段的独立交、直流供电设备所输出的能量循环使用的装置。能量反馈逆变装置既完成了特定负载的功能，同时又把无谓消耗在电阻型功率负载中的能量，通过一系列变换，以标准工频正弦波的形式返回至输入端，负载能量的循环使用率可达80％以上，从而极大地降低能耗和电费支出。在现代电力电子技术的应用方面，开辟了一个新的高效节能应用领域，具有广阔的实用前景。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器，能实时地对市电信号进行同步锁相跟踪，保证能量反馈逆变装置高效可靠地运行。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：提供一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器，包括有单片机控制电路单元、SPWM波形产生电路单元、DC/AC变换主电路单元，单片机控制电路单元采用AT89C52芯片与SPWM波形产生电路单元连接，SPWM波形产生电路单元与DC/AC变换主电路单元连接。
所述SPWM波形产生电路单元，包括有采用74LS377芯片的锁存单元串接采用DAC0800芯片的数模转换单元、平滑滤波与电平转换单元、正弦半波单元，再与采用NE555芯片的三角波发生单元同时连接采用LM393芯片的比较单元；单片机控制单元的AT89C52单片机对存储在E2PROM中正弦函数值进行查表，输入74LS377锁存后，送入DAC0800实现数模转换，再通过运放、平滑化、电平转换、全波整流得到正弦半波，将正弦半波和采用NE555芯片发生的三角波加到比较器LM393输入端进行比较，最后输出单极性的SPWM波形。
本实用新型逆变控制器，所述SPWM波形产生电路单元中的采用NE555芯片的三角波发生单元，由NE555芯片自激振荡形成高频方波，经高带宽运放TL062进行有源积分电路得到频率20KHz三角波；采用NE555芯片的三角波发生单元的电路连接关系为NE555芯片的第8引脚和第4引脚接+12V电源，第7引脚连接电阻R1、R2，R1另一端接+12V电源，R2另一端经电容C1接地，第6引脚与第2引脚连接R2与C2的连接点，第1引脚接地，第5引脚经电容C2接地，第3引脚经电阻R3、R4与TL062的第2引脚相连，TL062的第3引脚经电阻R7、R6、R5接+12V电源，TL062的第3引脚经电阻R7、R6接-12V电源，TL062的第4引脚接+12V电源，第8引脚接-12V电源，TL062的第2引脚经电阻R8与TL062的第1引脚相连，TL062的第2引脚经电阻R8与TL062的第1引脚相连，从TL062的第1引脚输出20KHz三角波S1。三角波S1的振荡频率计算公式为：f＝1.44/(R1+2R2)C1，其中R1、R2、C1如图3中所示。
本实用新型逆变控制器，所述SPWM波形产生单元，采用高速运放LM393构成电压比较器，三角波S1和正弦半波S2分别加于运放LM393的两个输入端进行比较，令正弦波幅值大于三角波幅值时输出高电平，小于三角波幅值时输出低电平，得到一组幅值相等、脉冲宽度按正弦规律变化的SPWM波形，比较器输出的SPWM波形分成两路反相信号，经光电隔离后，分别驱动半桥逆变主电路中的IGBT接通与关断；所述SPWM波形产生电路单元的电路连接关系为从TL062的第1引脚输出20KHz三角波S1经电阻R9与高速运放LM393的第2引脚连接；正弦半波S2经电阻R10与LM393的第3引脚连接，LM393的第3引脚经C4接地，第8引脚接+12V电源，第4引脚接-12V电源，第8引脚经电阻R11与第1引脚连接，从LM393的第1引脚输出脉冲宽度按正弦规律变化的SPWM信号S3。
本实用新型一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器，在系统中要加入产生死区时间的电路，这是由于开关管固有开关时间的影响，开通时间往往小于关断时间，因此易发生同一桥臂上两只开关管同时导通的短路故障。因此在系统中要加入产生死区时间的电路，以保证开关管的可靠工作。
本实用新型具有以下优点和积极效果：
本实用新型一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器采用单片机89C52控制的设计，充分利用单片机内部资源，使系统硬、软件设计达到了最小化，并能实时地对市电信号进行同步锁相跟踪，保证能量反馈逆变装置高效可靠地运行。
附图说明
图1是本实用新型一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器的系统构成图。
图2是本实用新型SPWM波形产生电路单元的系统构成图。
图3是本实用新型SPWM波形产生电路单元中的NE555三角波发生单元构成图。
图4是本实用新型SPWM波形产生电路单元中的LM393比较器构成图。
图5是本实用新型的实测逆变控制器输出电压Vout与市电信号Vin波形对比图。
图6是本实用新型的同步锁相过程图。
具体实施方式
下面以具体实施例结合附图对本实用新型作进一步说明：
实施例1：本实用新型提供一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器，系统构成参见图1。包括单片机控制电路单元、SPWM波形产生电路单元、DC/AC变换主电路单元。其中单片机控制电路单元采用AT89C52芯片作为逆变控制器的核心部件，SPWM波形产生电路单元参见图2、3、4，由74LS377芯片的锁存单元串接采用DAC0800芯片的数模转换单元、平滑滤波与电平转换单元、正弦半波单元，再与采用NE555芯片的三角波发生单元同时连接采用LM393芯片的比较单元；单片机控制单元的AT89C52单片机对存储在E2PROM中正弦函数值进行查表，输入74LS377锁存后，送入DAC0800实现数模转换，再通过运放、平滑化、电平转换、全波整流得到正弦半波，将正弦半波和采用NE555芯片发生的三角波加到比较器LM393输入端进行比较，输出单极性的SPWM信号到DC/AC变换主电路单元中，控制由IGBT开关管构成半桥逆变主电路的运行。
实施例2：将实施例1的本实用新型一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器应用于10KW能量反馈逆变装置中，本逆变控制器系统产生的SPWM波形必须和市电保持同步(同频同相)，其同步锁相功能通过存储在单片机AT89C52内部的软件自动实现，软件同步锁相控制算法的工作原理为：
首先把市电和逆变控制器输出降压并处理成方波，将市电方波作为单片机AT89C52外部中断INT0的输入，设置外部中断INT0为边沿触发、单片机AT89C52定时器T0为定时方式1，INT0引起的第一次中断时，将定时初值设为0，并启动T0工作，INT0引起的第二次中断时，读出TH0和TL0，即为市电周期T；单片机外接晶振频率为12MHz，得到内部计数时钟频率为1MHz，本实用新型设计的同步锁相控制范围为50±2Hz，因此，单片机AT89C52定时器T0测出市电周期值在20000附近变化，变化范围是19230～20833；再将市电和逆变器输出的方波信号进行处理，得到两者的相位差信号作为单片机AT89C52外部中断INT1的输入，设置定时器T1的门控制位GATE1为1，当TR1为1时，只有INT1引脚输入高电平，T1才允许计数，利用GATE1的门控制位功能，可测量INT1引脚上正脉冲的宽度，即两信号相位差值ΔT(机器周期数)。
对于本逆变控制器系统，根据两信号相位差值ΔT，软件自动实时计算逆变控制器的参考正弦波信号VREF，如式(1)所示：
ARG(k+1)＝ARG(k)+ΔARG(k)
VREF(k)＝A×SIN(ARG(k))    (1)
其中，A为参考正弦波幅值，ARG(k)为PWM调制周期参考正弦波相位，ΔARG(k)为每一PWM调制周期角度增量值，其在一个参考正弦波周期内保持不变，可记为ΔARG，ΔARG由两部份组成，一部份体现市电频率，根据测得的市电周期获得，另一部份体现对逆变器输出相位的调整，根据市电与系统输出电压之间的相位差获得，分别令其为ΔP1和ΔP2，则有：ΔARG＝ΔP1+ΔP2   (2)
ΔP1的计算涉及两个参量：一是市电周期T，二是逆变控制器的PWM调制周期TP，如式(3)所示：ΔP1＝(TP×2π)/T    (3)
图5经软件同步锁相控制后实测逆变器输出电压Vout与市电信号Vin波形，图6为同步锁相过程，图中10ms/格。从图5、6可见系统对市电信号漂移，获得了高精度的同步锁相控制。
本实用新型充分利用单片机内部资源，使系统硬件电路设计达到了最小化，并能通过软件自动实时地对市电信号进行同步锁相跟踪，保证能量反馈逆变装置高效可靠地运行。

Claims (4)

1.一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器，其特征在于：包括有单片机控制电路单元、SPWM波形产生电路单元、DC/AC变换主电路单元，单片机控制电路单元采用AT89C52芯片与SPWM波形产生电路单元连接，SPWM波形产生电路单元与DC/AC变换主电路单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器，其特征在于：所述SPWM波形产生电路单元包括有采用74LS377芯片的锁存单元串接采用DAC0800芯片的数模转换单元、平滑滤波与电平转换单元、正弦半波单元，再与采用NE555芯片的三角波发生单元同时连接采用LM393芯片的比较单元；单片机控制单元的AT89C52单片机对存储在E2PROM中正弦函数值进行查表，输入74LS377锁存后，送入DAC0800实现数模转换，再通过运放、平滑化、电平转换、全波整流得到正弦半波，将正弦半波和采用NE555芯片发生的三角波加到比较器LM393输入端进行比较，最后输出单极性的SPWM波形。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器，其特征在于：所述SPWM波形产生电路单元中的采用NE555芯片的三角波发生单元，由NE555芯片自激振荡形成高频方波，经高带宽运放TL062进行有源积分电路得到频率20KHz三角波；采用NE555芯片的三角波发生单元的电路连接关系为NE555芯片的第8引脚和第4引脚接+12V电源，第7引脚连接电阻R1、R2，R1另一端接+12V电源，R2另一端经电容C1接地，第6引脚与第2引脚连接R2与C2的连接点，第1引脚接地，第5引脚经电容C2接地，第3引脚经电阻R3、R4与TL062的第2引脚相连，TL062的第3引脚经电阻R7、R6、R5接+12V电源，TL062的第3引脚经电阻R7、R6接-12V电源，TL062的第4引脚接+12V电源，第8引脚接-12V电源，TL062的第2引脚经电阻R8与TL062的第1引脚相连，TL062的第2引脚经电阻R8与TL062的第1引脚相连，从TL062的第1引脚输出20KHz三角波S1。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于单片机控制的带同步锁相逆变控制器，其特征在于：所述SPWM波形产生单元，采用高速运放LM393构成电压比较器，三角波S1和正弦半波S2分别加于运放LM393的两个输入端进行比较，令正弦波幅值大于三角波幅值时输出高电平，小于三角波幅值时输出低电平，得到一组幅值相等、脉冲宽度按正弦规律变化的SPWM波形，比较器输出的SPWM波形分成两路反相信号，经光电隔离后，分别驱动半桥逆变主电路中的IGBT接通与关断；所述SPWM波形产生电路单元的电路连接关系为从TL062的第1引脚输出20KHz三角波S1经电阻R9与高速运放LM393的第2引脚连接；正弦半波S2经电阻R10与LM393的第3引脚连接，LM393的第3引脚经C4接地，第8引脚接+12V电源，第4引脚接-12V电源，第8引脚经电阻R11与第1引脚连接，从LM393的第1引脚输出脉冲宽度按正弦规律变化的SPWM信号S3。
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CN104377784A (zh) * 2014-12-01 2015-02-25 深圳市宝安任达电器实业有限公司 Eps电源系统输出关断控制方法及装置

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