基于單片機(jī)控制的精密交流步進(jìn)電源

傅元，張欽，丁振宇

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)地持續(xù)發(fā)展，電源技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中是不可或缺的重要組成部分，為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載和系統(tǒng)的高效運(yùn)行，對電源的設(shè)計(jì)和制造要求也越來越高?，F(xiàn)今程控直流穩(wěn)壓電源的研究已然相對成熟，而工業(yè)測量中所需的高精度交流電源卻甚少。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)控制的精密交流步進(jìn)電源。設(shè)計(jì)程序使單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖波，應(yīng)用功率/電能計(jì)量芯片CS5460進(jìn)行AD采樣，不斷對電源的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行檢查，并與設(shè)定值相比較，根據(jù)差值控制調(diào)節(jié)單片機(jī)

輸出PWM脈沖波的占空比，從而控制電源功率MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間[1]，再利用SPWM全橋技術(shù)，調(diào)制每個(gè)周期的基波與若干個(gè)載波，并產(chǎn)生正弦化脈沖序列，其有效相位區(qū)間滿足按正弦函數(shù)值定位，集合成幅度相等、寬度不等，相應(yīng)區(qū)間的面積等同于正弦波且對應(yīng)正弦量正負(fù)半周的脈沖序列。經(jīng)過互鎖隔離電路、雙路調(diào)制或單路分相處理及放大，控制驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件運(yùn)行，最終得到正弦波，實(shí)現(xiàn)交流電壓范圍0.1-220V，步進(jìn)電壓50mV的電源輸出。該電源具有高精度、使用方便、功耗低、穩(wěn)定范圍寬、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 電源硬件系統(tǒng)

電源系統(tǒng)由主電源電路和單片機(jī)控制電路兩大部分組成：主電路由典型Top-Switch單端反激電路高頻變壓器及功率開關(guān)MOS管組成，實(shí)現(xiàn)了DC-DC升壓變換。控制電路是利用單片機(jī)軟件編程產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，通過芯片CS5460進(jìn)行AD采樣不斷檢測電源的輸出電壓和輸出電流，并與設(shè)定值相比較，根據(jù)差值控制調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出PWM脈沖波的占空比，從而控制電源功率MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)降壓，再根據(jù)程序設(shè)置改變SPWM信號(hào)的輸出狀態(tài)，通過逆變器達(dá)到將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流步進(jìn)電壓的目的。

圖1 DC-DC升壓變換原理圖Fig.1 Schematic diagram of DC-DC boost converter

圖2 DC-AC電源變換原理圖Fig.2 DC-AC power supply schematic diagram

圖3 降壓式PWM原理電路圖Fig.3 Buck PWM principle

1.1 DC/DC升壓變換電路（見圖1）

電網(wǎng)交流220V電壓經(jīng)過電磁干擾濾波器，抑制共模干擾，消除串模干擾，整流濾波后輸出低頻直流電壓，利用控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)閉，調(diào)節(jié)經(jīng)過高頻變壓器升壓后輸出方波的占空比來穩(wěn)定輸出電壓，再進(jìn)行整流穩(wěn)壓，得到所需的直流電壓。設(shè)計(jì)DC-DC升壓變換電路輸出的直流電壓為340V，通過計(jì)算可得出，高頻變壓器原邊與次邊的匝數(shù)比為36:112。

DC-DC升壓電源模塊采用PWM控制芯片SG3525進(jìn)行設(shè)計(jì)。此芯片是一種功能完整、性能優(yōu)良、通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片。功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉由SG3525芯片輸出的兩路反向方波所控制[2]。SG3525芯片的性能指標(biāo)是：輸入電壓為8～35V可調(diào)，輸出為5V/lA。SG3525芯片振蕩頻率由外接的電容和電阻決定，計(jì)算公式：振蕩器的輸出分為兩路：一路以時(shí)鐘脈沖形式輸入到雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器交替、互補(bǔ)地輸出高低電平，PWM波同時(shí)輸入兩個(gè)三極管的基極。另一路以鋸齒波的形式輸入到比較器的同相輸入端，利用鋸齒波加入死區(qū)時(shí)間，保證當(dāng)一個(gè)三極管導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)三極管不導(dǎo)通，最后輸出相位差為180°的脈沖波[3]。把誤差放大器輸出的電壓連接到比較器的反相輸入端上，與從振蕩器輸出的鋸齒波進(jìn)行比較，使輸出的方波隨著輸出電壓的高低變化脈沖寬度。

功率開關(guān)器件一般采用兩種方式：直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)。隔離驅(qū)動(dòng)又分為光耦隔離和電磁隔離兩種方式。光耦隔離電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但共模抑制較差，傳輸速度較慢。電磁隔離的隔離元件是脈沖變壓器，其響應(yīng)速度快，共模抑制強(qiáng)，但體積較大，結(jié)構(gòu)加工復(fù)雜，且傳輸信號(hào)會(huì)有失真。功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)芯片選擇IR2110芯片，包含了光耦隔離以及電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，其傳輸響應(yīng)速度快、體積小、共模抑制強(qiáng)。它是高壓、高速PMOSFET的理想驅(qū)動(dòng)芯片，工作頻率500kHZ，利用高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)的自舉原理，減少了驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目[4]。

當(dāng)輸出的直流電壓發(fā)生變化時(shí)，用經(jīng)過分壓電阻得到的取樣電壓與TL431的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，在TL431芯片的陰極上產(chǎn)生誤差電壓，使得光耦內(nèi)部LED的工作電流發(fā)生變化，進(jìn)而改變SG3525芯片的控制端電流大小，調(diào)節(jié)占空比，從而到達(dá)穩(wěn)壓。

1.2 DC-AC電源變換電路（見圖2）

直流電壓轉(zhuǎn)換交流電壓的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以單片機(jī)系統(tǒng)電路為核心，兼顧運(yùn)算能力和控制能力。選用了經(jīng)濟(jì)適用的STC12C5410AD芯片，此芯片是一款高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，4路PWM，512字節(jié)RAM，12kB程序存儲(chǔ)器，6個(gè)16位定時(shí)器。采用CS5460芯片來檢測反饋電壓和反饋電流，它是一個(gè)包含兩個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），高速能量計(jì)算功能和一個(gè)串行口高速集成的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。它可以與低成本的分流器或互感器連接測量電流，也可以與分壓電阻或電壓互感器連接測量電壓。CS5460的特性是有與微控制器通訊的雙向串口和與能量成比例的固定帶寬的可編程頻率輸出[5]。

單片機(jī)根據(jù)AD采樣反饋的電壓和電流，控制輸出PWM脈沖波，在高頻PWM脈沖的控制下，以一定的占空比D重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換器中的PWM開關(guān)組合，對輸入電壓進(jìn)行斬波，形成高頻脈沖方波電壓，完成調(diào)制兩次降壓。圖3是降壓型PWM主電路原理電路圖。根據(jù)電感的伏秒平衡原則可知

圖4 系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 System flow chart

1.3 鍵盤、顯示部分

為了使所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)用電源產(chǎn)品化、商業(yè)化，顯示部分采用液晶顯示屏智能控制。單片機(jī)將數(shù)據(jù)送入到液晶屏進(jìn)行顯示，觸摸屏的數(shù)據(jù)通過串行口輸入單片機(jī)中。通過顯示屏設(shè)定電源的輸出電壓、波形和其相關(guān)參數(shù)及顯示出電源的工作狀態(tài)等。單片機(jī)的供電系統(tǒng)是簡單的單端反激式DC-DC電路，由電網(wǎng)220V經(jīng)過高頻變壓器、功率開關(guān)管、降壓穩(wěn)壓管、整流濾波提供單片機(jī)所需要的5V電壓。

2 電源軟件系統(tǒng)

2.1 SPWM技術(shù)（見圖3）

電源軟件系統(tǒng)是由單片機(jī)STC12C5A60S2芯片的核心的最小系統(tǒng)控制的，利用SPWM波形來控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)面積相等，通過讀取模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓值，實(shí)現(xiàn)逆變器輸出的幅值和頻率可調(diào)[6]。

使用查表法得到SPWM的脈沖波，基于三角波與調(diào)制波的對稱規(guī)則進(jìn)行采樣，離線計(jì)算每個(gè)SPWM波在半個(gè)正弦波周期的脈沖寬度，將值存儲(chǔ)在單片機(jī)的RAM中，完成SPWM脈沖寬度值表。當(dāng)單片機(jī)控制系統(tǒng)工作時(shí)，設(shè)置程序進(jìn)行自動(dòng)查表，根據(jù)查表值從單片機(jī)的PWM口輸出相應(yīng)寬度的脈沖，模擬脈寬調(diào)制法用正弦表設(shè)置單片機(jī)PCA模塊的模擬比較器中的值，然后經(jīng)過互鎖隔離電路得到驅(qū)動(dòng)逆變器開關(guān)管工作的脈沖值，經(jīng)過逆變電路完成將直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞑竭M(jìn)電源。

2.2 程序流程圖（見圖4）

3 系統(tǒng)測試

通過上述方法設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出范圍為0.1-220V，步進(jìn)電壓為0.05V的精密步進(jìn)電源。經(jīng)過數(shù)字電壓表測試DC-DC升壓電路理論輸出直流電壓應(yīng)為340V，實(shí)際輸出340.2V，測量誤差約為0.06%。設(shè)置輸出交流電壓峰值12V，實(shí)際輸出12.1V，步進(jìn)電壓0.05V。

4 結(jié)論

此精密交流步進(jìn)電源通過單片機(jī)進(jìn)行控制，不僅硬件上可以通過測試選擇精度更加精確的器件，而且可以不斷在軟件算法上進(jìn)行優(yōu)化，改變電源的品質(zhì)參數(shù)和輸出性能，讓電源的輸出更加穩(wěn)定，可靠性更強(qiáng)。

[1]蘆守平,姜瀚文,徐千.基于單片機(jī)控制的程控開關(guān)電源研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2011,5:78-81.

[2]李桂丹,高晗瓔,張春喜.基于SG3525的DC/DC直流變換器的研究[J].通信電源技術(shù),2008,5:28-30.

[3]李杰,宮傳,李國鋒,等.一種高頻高壓電源研制[J].河北大學(xué)學(xué)報(bào),2007,Z1:157-160.

[4]袁雪松.電動(dòng)叉車交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2010.

[5]崔勇,馮斌,張旭東.CS5460A芯片在多路電能測量與數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用[J].中國電子商務(wù),2011,1.

[6]張昌玉.三相程控電度表校驗(yàn)臺(tái)用PWM電源的研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2009.