基于單片機控制的DC/AC變換

利用微處理器控制產生SPWM(正弦脈寬調制)是實現DC/AC變換的重要技術之一。其基本工作原理是根據能量等效原則，用其每個周期內的N等份矩形波替換正弦波, 而每份矩形波的寬度與其對應正弦波所包含的面積成比例。由此計算出正弦波半個周期內所對應各矩形波的寬度值，和在一定范圍不同輸出時各組矩形波寬度的數據。將該數據存于內存中，為便于讀取數據和提高速度，最好每組數據占用內存的一頁（256字節，不滿時后面可空著）。控制部分主要由單片機，可預置計數器及相應檢測和部分邏輯電路組成。工作時，單片機兩個定時器T0和T1分別產生正弦波T/2定時和矩形波周期定時，T0用于控制相應電路改變其正弦波輸出的極性，即正負半周。定時開始，計算機從一組數據順序取出各矩形波寬度的數值并寫入可予置計數器，用于控制該脈沖寬度。取數據的間隔時間由T1控制。單片機對輸出電壓進行檢測并與標準值比較，根據比較結果決定從內存所取數據的區域，以達到自動調節輸出的目的。本設計采用較流行的MCS—51系列單片機作為主控CPU，因單片機性能優越，且集成度高，不但可提高整機性能還可使電路簡捷。對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DC/AC電源，一般輸出為穩定電壓，在一定范圍內過高或過低都必須進行調整，故此沒有必要非用A/D轉換不可，因此我們采用比較器，并通過微處理器來完成穩壓功能，這樣不但可達到高精度、高速度，還可簡化電路降低成本。為保證電路可靠工作，在過流或過壓、無輸出檢測和報警方面均采取了較強措施。

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發生器、輸出調節故障判斷、高頻開關變換、正、負半周合成、平滑等部分組成。本文主要討論其核心部分，即以單片機為主的SPWM波發生及相應的檢測控制電路。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不同輸出時各組SPWM矩形波寬度的數據，U4、U5為可預置計數器74LS161，兩片組成8位計數器，在4MHz時鐘下產生0。25～64mS寬度的定時，U6～U9為檢測和控制邏輯。8031內部定時器T0用于AC輸出(T/2)定時。T用于SPWM矩形波的周期定時。AC輸出的正負半周由P1.0控制。SPWM波由D觸發器U6：B輸出，經74LS00和74LS04分別接正負半周功率變換驅動電路。輸出檢測比較電路給出的輸出范圍信號VOL和VOH加在P1.1和P1.2腳，當輸出低于正常值時，VOL=“0”，VOH=“1”；而輸出高于正常值時，VOL=“1”，VOH=“0”。經檢測電路獲取的輸入欠壓、輸入過壓、輸入過流和輸出過壓、無輸出信號及Watchdog信號經線與取反后與8031的RESET端相連，任何一個故障的發生均可使CPU復位，以保護設備。

CPU上電自動復位初始化后，T0、T1開始定時，T0每定時到P1.0取反，控制AC正負半周的輸出。CPU控制AC從最低輸出開始（軟啟動），T1定時到則從EPROM取出相應脈寬數據，寫入可預置計數器，同時使U6：A的Q輸出為“0”，U6：B的Q輸出為“1”，功率變換管導通。可預置計數器在4MHZ時鐘的作用下從預置值開始計數，當計數溢出時U5的Tc=“1”，U6：A的Q=“1”，U6：B的Q=“0”，功率變換管截止，一個矩形波輸出完成，CPU將本半周內的各矩形波按順序依次輸出。T0定時時間到（每半周）檢測一次輸出幅度，當輸出較正常值低時(VOL=“0”)，讀取脈寬數據的高位地址加1，當輸出較正常值高時(VOH=“0”)，則讀取脈寬數據的高位地址減1；正常輸出時則維持當前地址不變。另半周的輸出與此完全相同，最后由波形合成電路實現完整輸出。為保證整機可靠工作，該電路采用了較完善的死機自動恢復和各種故障檢測、保護和報警設計。輸入過壓、欠壓、過流、輸出過壓和無輸出任一故障均可使計算機自動復位，前四種故障同時將驅動電路封死使輸出為零，以保護內外設備。當故障不能排除時，則發出聲、光報警。

因該控制電路結構簡單，故軟件也較簡潔，現將我們以該技術為核心研制《HJD—04大型數字程控交換機DC/AC（鈴流）電源》的源程序給出。該DC/AC電源主要指標為：DC輸入—48V，AC輸出75V、1A、25Hz，主變換頻率20KHz，效率≥75%。

以該技術為核心研制的《HJD-04大型數字程控交換機DC/AC(鈴流)電源》已經通過了由河南省科委組織的技術鑒定，綜合技術指標達到國內領先水平。與通用DC/AC技術相比較，既沒有使用A/D也沒有使用D/A，電路簡潔明了，安全可靠。■

參考文獻

1 涂時亮,單片微機MCS-51用戶手冊,復旦大學出版社，1990。

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