基于單片機(jī)的新型電子負(fù)載控制研究

軒克輝， 李金方， 李 遠(yuǎn)

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 漯河 462000）

1 新型電子負(fù)載控制硬件設(shè)計(jì)

對于本文所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的新型電子負(fù)載控制裝置[1]，其總體架構(gòu)如圖1 所示。在直流升壓的PWM控制環(huán)節(jié)，電壓檢測輸入到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)字處理，而電流檢測則在模擬電路中進(jìn)行，在逆變環(huán)節(jié)也采用相同的處理方式。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 主回路電路設(shè)計(jì)

主回路電路如圖2 所示，由1 個(gè)IGBT 為電路提供400 V 直流電壓，采用4 個(gè)IGBT 組成全橋逆變器向電網(wǎng)回饋電能。UPS 端的220 V 交流電壓整流后變?yōu)?10 V 的直流電壓，通過電感、開關(guān)等器件，采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)PWM方式升壓至400 V 直流電壓。經(jīng)過4 個(gè)開關(guān)器件，逆變成400 V 的方波電壓信號。然后，經(jīng)過電感、電容組成的濾波電路輸出正弦交流信號，該正弦交流信號經(jīng)過隔離變壓器將電能回饋至市電電網(wǎng)[2-4]。

圖2 系統(tǒng)主回路電路

1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為了能夠使IGBT 正常工作，本文選用M57959器件作為核心單元搭建驅(qū)動(dòng)電路，如圖3 所示，既滿足了IGBT的驅(qū)動(dòng)功能，又實(shí)現(xiàn)了電路的過壓保護(hù)功能。

圖3 M57959 驅(qū)動(dòng)IGBT 典型電路

1.3 電壓檢測設(shè)計(jì)

對于直流電壓的檢測，選取了KV50A/P 型號的電壓檢測核心器件，搭建的電路如圖4 所示。利用了霍爾效應(yīng)與磁補(bǔ)償原理，通過原邊電阻來測量流過電阻的電流，間接測出電壓信號。需要注意的是，直流端的電容會(huì)給系統(tǒng)引入波紋，因此，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要增加濾波電路。

圖4 直流電壓檢測電路

1.4 電流檢測設(shè)計(jì)

電流檢測可分為直流電流檢測與交流電流檢測，前者主要為系統(tǒng)提供反饋信號，后者主要用來產(chǎn)生系統(tǒng)同步信號。在該環(huán)節(jié)中，選取KT20A/PA 信號的電流檢測器件作為核心器件，所搭建的電流如圖5 所示。其主要原理是通過測量電流檢測器件外圍電阻上的電壓值，由電壓值間接得出電流值。因此，此環(huán)節(jié)往往會(huì)產(chǎn)生諧波，需要增加濾波調(diào)理電路，將電壓輸出值設(shè)置到合理的范圍，并且消除諧波。

圖5 電流檢測電路

1.5 電壓相位與幅度檢測設(shè)計(jì)

在該環(huán)節(jié)電路設(shè)計(jì)時(shí)，首先通過硬件將電網(wǎng)輸出的正弦電壓信號轉(zhuǎn)換成3.3 V 脈沖信號，兩種信號有相同的過零點(diǎn)，當(dāng)原始電網(wǎng)電壓信號處在過零點(diǎn)上升處時(shí)，脈沖信號輸出高電平，具體設(shè)計(jì)如圖6 所示。圖6 中選取的CSB2-10 mA 器件可以將電網(wǎng)電壓信號轉(zhuǎn)換成同相位的電信號，并能夠與高電壓隔離開來。經(jīng)過比較器LM339 后，產(chǎn)生了與電網(wǎng)電壓信號同相的方波信號，以此來實(shí)現(xiàn)對相位的檢測。對于幅度的檢測，原始市電電壓信號經(jīng)過放大器之后，輸入給AD進(jìn)行幅度檢測，當(dāng)幅度值低于閾值時(shí)，設(shè)備關(guān)機(jī)。

圖6 電網(wǎng)電壓同步信號產(chǎn)生電路

2 新型電子負(fù)載控制軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主程序每隔20 ms 運(yùn)行一次，負(fù)責(zé)所有軟件的管理、各種寄存器及中斷的設(shè)計(jì)，同時(shí)，結(jié)合運(yùn)行檢測的結(jié)果實(shí)現(xiàn)對子程序的調(diào)用，主程序流程圖如圖7 所示。

圖7 主程序流程

對于采用子程序的設(shè)計(jì)，在收到采樣觸發(fā)標(biāo)志后，立即啟動(dòng)采樣操作，結(jié)合定時(shí)設(shè)計(jì)連續(xù)采樣60 次，可以完成10 ms 的電壓采集，這樣就可以計(jì)算出電壓均值及最大值。采樣標(biāo)志是在正弦信號過零點(diǎn)時(shí)設(shè)定的，在采樣開始時(shí)清除。因此，我們可以大概算出采樣標(biāo)志每隔20 ms 設(shè)定一次。除此之外，采樣子程序還設(shè)計(jì)了過壓保護(hù)功能，采樣子程序流程如圖8 所示。

圖8 采樣子程序流程

3 結(jié)語

針對UPS 電源傳統(tǒng)大電阻負(fù)載能耗放電模式檢測中的問題，本文從硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對新型電子負(fù)載控制裝置進(jìn)行分析，提出了一種新的電子負(fù)載控制方案，通過對電阻特性進(jìn)行模擬，極大地提高了電源測試效率，解決了傳統(tǒng)方式存在的問題，提高了經(jīng)濟(jì)效益。