一种基于单片机和PSD的数制化电源

2006-05-07 15:49:37来源: 电子技术应用

    摘 要 根据单片机80C196KC和现场可编程系统器件PSD302的特性,设计了一种数制化电源装置,提供了程序框图,并对其进行了谐波分析。它是一种高性能的通用装置,可替代传统的PWM逆变电源

    关键词 电力电子器件 电源 单片机 现场可编程系统器件    

    随着现代工业的发展和社会进步,人类对电能种类的需求不断增加,如要求电能有多种制式:直流稳压电源、交流工频电源、中高频感应加热电源、高压电解电源等,而且需求的数量也在不断增加。要提供这些制式的电能,就要有许多不同的电源变换装置。此外,为满足各种电气设备对电源的特殊要求,也需要一些装置对电源进行变换和控制。这些装置品种繁多,其原理和构造各不相同,且一般只有有限的功能,难以相互替代。因此,设计出一种通用的电源装置,使它在原理和结构上不作改动即能提供多制式的电源,具有重要的现实意义。然而,利用60年代的晶闸管以及70年代的自关断器件(如GTR、GTO)构成的电气装置,由于器件的工作频率低下,难以逾越20kHz这一大关,因而效率较低,原材料消耗较大,并且系统的动态性能不够理想,易引起所谓的“电力公害”。80年代急速兴起的场控自关断器件(如IGBT、VDMOS、SITH、SIT、MCT等)都是集高频、高压、大电流于一身的性能优越的电压控制器件,它们的出现使得设计和制造出一种通用的电源装置成为可能。

    本文以数制化电压单元为基础构成电压合成器(VS),再由单片机按波形重组合技术(WRT)控制VS中各单元的电子开关(IGBT),使导通单元的电压迭加得到所需的波形,从而实现所要求的功能。

    1 系统组成和原理

    1.1 数制化电压单元的选取

    系统的数制化电压单元按如下规律选取:

    先确定最小的电压单位(如1V),并取Eo=1V作为基本单元,其次选作为高一位的单元,再次选作为更高一位的单元,……依次类推,如图1所示。若共有N位单元,则最高位单元的电压为:

   

    需要指出的是,这些单元可以是恒定的直流电压,也可以是等宽的单向脉冲电压,甚至可以是同频同相的交流电压。这里只讨论恒定直流电压的情况。

    1.2 电压波形重组合

    先将拟要产生的波形分成若干个垂直条块,这些条块的宽度远小于波形的周期,可看作为具有固定幅值的矩形条块。这样给定的电压波形就可用上述的数制化单元迭加得到,如图2所示。使用二进制的单元系列不仅可减少单元数目,简化结构,而且极易利用单片机来进行控制。

    1.3 主电路部分

    由以上电压迭加分析可知,各数制化电压单元应串联起来,并且每个单元应串联一个可控制其导通或关断的电子开关,构成电压合成器VS。综合考虑目前电力电子器件的性能,这里选用绝缘双极型晶体管(IGBT)作电子开关。这是一种电压控制型器件,其输入阻抗高、驱动电路简单、驱动功率小、开关速度高、开关损耗小;它的通态压降比VKMOS还低,特别是在大电流区段;且在1/2或1/3额定电流以下区段具有负温度系数,而在以上区段则具有正温度系数,因此在并联使用时具有自动调节电流的能力。另外,IGBT的安全工作区比GTR宽,而且还具有耐脉冲电流冲击的性能,特别适于作高频开关使用

    为了使某位数制化电压单元在关断时能给其它单元提供电流通路,每位单元在与其控制开关串联后,应再与一快速恢复二极管反向并联,如图3所示。用=1表示第i位单元被选通,=0表示关断,则AO端的电压为:

   

    为了使装置能提供交变电压,在输出到负载之前须再加装一开关换向桥,这四个换向开关也选用IGBT,以便于控制和得到与上述一致的性能。这样当导通、关断时,输出端U点的电位高于V点电位;反之,当关断、导通时,V点的电位高于U点的电位。

    1.4 单片机监控电路部分

    为了简化电路、降低消耗、增强性能,本系统的监控部分主芯片拟采用80C196KC单片机和现场可编程系统器件PSD302。80C196KC是Intel公司的第二代CHMOS型真16位单片机,它在与外部设备进行数据交换和内部运算时均可采用16位操作方式,时钟频率可达16MHz以上,其控制IGBT开关的时间精度可达微秒级,速度比8位单片机快得多。它的指令系统也更加丰富,效率更高。另外,80C196KC还新增了一个外设事务服务器(Peripheral Transaction Server即PTS),大大提高了响应外设中断的速度,增强了A/D转换器的性能(10位/8位)。因此,它特别适合于要求实时处理、实时控制的系统

    PSD302是一种功能很强的通用外围接口芯片,它不仅可替代单片机最小系统中的地址锁存器、译码器和存储器,而且可使系统功能和可靠性大大增强。它有19根可单独构造的I/O引脚、两个可编程阵列、内部高速EPROM和SRAM等,可有四种工作模式供选择,作输入的引脚有效电平可编程,故它几乎支持任何8位或16位微控制器

    根据上述芯片的特性,可画出监控部分的电路示意图,如图4所示。80C196KC的 P0.0和P0.1作为内部8通道A/D转换器的模拟输入端,分别检测输出电压和负载电流,P0口的其它线仍可作数字输入口用,P1口和P2.6、P2.7为准双向口,可用于输出监测数据和声光报警信号,P3、P4口用作系统总线。为了防止A/D转换器模拟输入端过载及增强其抗尖峰干扰的能力,应分别加装二极管箝位电路及阻容滤波电路。PSD302构造为16位多路复用模式,PA、PB口均构造为I/O输出,分别作为VS和换分向桥的控制驱动,PC0~PC2留作备用,或作为片选输出信号。

    2 程序流程图

    本系统由80C196KC的内部定时器T0设定采样时间间隔,T0的中断服务程序分别采集输出电压和负载电流,存入PSD302的响应SRAM中。80C196KC根据采样值与标准值的比较发出命令给PSD302,调节输出幅值或相位。程序流程图如图5所示。

    3 谐波分析

    理论上讲,利用数制化电源装置可以产生任意形状的电压波形,但由于频率很高时,IGBT的开关时间不可忽略,单片机系统的运行时间也必须加以考虑,故实际上只能得到近似的阶梯状曲线。以最常见的合成正弦电压的情形为例来分析,并忽略二极管和IGBT的导通电压,当VS能输出的最高电压与正弦电压的峰值接近时,输出端UV的电压可展成傅立叶级数

   

    成立时,可使次以内的谐波皆为零。例如,当只有一位单元时,则触发角α1为0.5236弧度,可使5次以内的谐波为零;当有两位单元时,则触发角分别为0.2037,0.4701,0.9784弧度或0.2093,0.7318,1.4953弧度,可使9次以内的谐波为零,而9次及以上各次谐波频率与基波频率相差很大,易用低通滤波器滤去。若再增加几位电压单元,例如共用八位,如果能选择适当的触发角,则513次以内的谐波皆为零。

    4 应用

    由以上分析可知,通过改变单片机的控制方式,即可获得各种各样的电压波形,例如用简单的线性插值法,可实现输出无级可调直流电压,因此这种数制化电源装置首先具有通用性,可用于交直流电机的正反转控制及调速、实验室电源等。在输出正弦交流电压时,它的谐波分量比普通的PWM逆变器小得多,如不使用低通滤波器,则可消除滤波器引起的波形失真。它的控制也较简单,可用于对电源要求较高的场合,如高精度变频调速、不间断电源、大功率高效D/A转换器、多电源系统等,原则上可取代PWM。如果用于专门用途,只输出一种电压波形,则整个系统从硬件到软件都可进一步优化,以简化设计,降低成本,提高精度,增强可靠性。

    随着科学技术的不断进步,器件的集成度越来越高、性能越来越强、功率也越来越大,用它们设计和制造出来的各种装置也正朝小型化、高频化、智能化、大功率方向发展。目前500kHz的VDMOS开关电源在市场上已有售。在采用谐振开关技术时,其开关频率可进一步提高到数兆赫至几十兆赫,效率大于80%,出现了功率密度达每立方英寸30~50W的所谓“卡片式”开关电源。但VDMOS的导通电阻与成正比,限制了它在高频中、大功率领域的应用。IGBT集MOS器件与双极型器件的优点于一体,得到了越来越广泛的应用,有取代GTR和MOSFET的趋势。可以预见,未来的电力电子开关器件具有导通压降更低、开关速度更高、损耗更小等特点,与现代控制理论相结合的数制化电源装置功能也将进一步增强,彻底取代PWM等也将成为必然。

 

关键字:单片机

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/qrsxt/200605/4233.html
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