基于68HC908MR16單片機(jī)的光伏正弦波逆變電源

摘要：介紹了一種基于MOTOROLA公司生產(chǎn)的68HC908MR16單片機(jī)的光伏正弦波逆變電源。該系統(tǒng)應(yīng)用SPWM技術(shù)將經(jīng)太陽(yáng)電池陣列充電后的蓄電池電壓，逆變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的正弦單相220V、50Hz交流電壓，同時(shí)采用新型的數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制，并通過與外界鍵盤監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行串行通信實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)和系統(tǒng)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：光伏逆變；MR16單片機(jī)；PI調(diào)節(jié)器；串行通信

1  引言

    隨著能源危機(jī)的日益加劇和人類環(huán)保意識(shí)的提高，新能源的開發(fā)利用越來(lái)越受到人們的重視。而太陽(yáng)能作為取之不盡用之不竭的高效無(wú)污染的能源近來(lái)更受人們的青睞。本文介紹的光伏正弦逆變電源系統(tǒng)正是一種適于戶用的、特別適于無(wú)電少電的西部邊遠(yuǎn)地區(qū)用戶的一種電源系統(tǒng)，隨著我國(guó)西部大開發(fā)的進(jìn)行其市場(chǎng)前景必將越來(lái)越廣闊。

2  逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2.1  系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由圖可知，首先太陽(yáng)電池陣列經(jīng)充電電路向蓄電池充電，從而得到一個(gè)基本穩(wěn)定的直流電壓，再經(jīng)逆變電路將直流電逆變成高頻交流電，最后經(jīng)工頻變壓器升壓和濾波電路濾波變成50Hz、220V正弦交流電壓。整個(gè)系統(tǒng)的控制都是由MR16單片機(jī)完成的。其核心部分為SPWM波的形成及根據(jù)輸出交流電壓采樣形成反饋組成的數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器部分。

圖1  系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.2  關(guān)于MR16單片機(jī)

    68HC908MR16單片機(jī)是一種低成本、高性能的八位單片機(jī)。它具有32k字節(jié)的可擦寫的片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器FLASH，具有768字節(jié)的RAM，對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說完全夠用；具有一個(gè)專門用于電機(jī)控制的6路PWM輸出的PWMMC模塊，適合于單相、三相逆變，同時(shí)該模塊還有專門用于故障保護(hù)的4路FAULT引腳，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可在不引起中斷的情況下快速封鎖PWM輸出達(dá)到保護(hù)的目的；具有可選擇外部晶振時(shí)鐘或內(nèi)部鎖相環(huán)時(shí)鐘的時(shí)鐘發(fā)生器模塊，本系統(tǒng)選擇的內(nèi)部鎖相環(huán)時(shí)鐘能產(chǎn)生精確的8MHz的內(nèi)部總線頻率，從而保證了系統(tǒng)的頻率精度；具有可編程的AD時(shí)鐘,AD轉(zhuǎn)換時(shí)間最快只需2μs，能最大程度地減少中斷程序的執(zhí)行時(shí)間；具有SCI串行通信接口，可工作于全雙工或半雙工模式，在本系統(tǒng)中能夠可靠地完成與外界鍵盤監(jiān)控系統(tǒng)的串行通信。

2.3  逆變主電路

    系統(tǒng)主電路采用單相全橋逆變電路如圖2所示。其中開關(guān)器件采用適合于小功率裝置、具有開關(guān)速度快、工作頻率高等特性的功率MOSFET。開關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)源于MR16單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM波經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后的信號(hào)。全橋逆變的輸出為高頻SPWM波，經(jīng)變壓器升壓及濾波后即得到220V、50Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦交流電壓。

圖2  主電路原理圖

2.4  SPWM波的形成

    68HC908MR16單片機(jī)具有一個(gè)專門用于電機(jī)控制的可工作于3對(duì)互補(bǔ)模式或獨(dú)立模式的包括6路PWM輸出的PWMMC模塊。在本系統(tǒng)中初始化使其工作于3對(duì)互補(bǔ)模式即同一橋臂2個(gè)PWM信號(hào)是為互補(bǔ)的，在初始化中寫一計(jì)數(shù)值到PMOD(H:L)中以決定載波頻率即開關(guān)頻率。PWM波的實(shí)時(shí)脈寬計(jì)算是由中斷程序完成的，每次PWMMC模塊中的PCTN(H:L)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到PMOD(H:L)中的值時(shí)就引起中斷。預(yù)先將0～360°的正弦值制成表格存于FLASH某一區(qū)域中，每次中斷時(shí)從中取一正弦值，經(jīng)過一定計(jì)算后得一數(shù)值，將其送入PVALX(H:L)寄存器中，單片機(jī)將PVALX(H:L)中的值與PMOD(H:L)中的值比較后自動(dòng)生成SPWM信號(hào)并由PWM引腳發(fā)出。為了防止同一橋臂兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象發(fā)生，在無(wú)信號(hào)發(fā)生器DEADTIME中的寄存器DEADTM中寫入一數(shù)值以確定死區(qū)時(shí)間。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)間為2.5μs，載波頻率為10kHz，制成包括200個(gè)放大的正弦值的正弦表。PWMMC模塊還有4路故障保護(hù)端口FAULT1～FAULT4，當(dāng)端口為高電平時(shí)，PWMMC就能根據(jù)初始化設(shè)定來(lái)封鎖相應(yīng)的PWM輸出，本系統(tǒng)中的過流保護(hù)正是利用了這個(gè)功能，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)，就置位FAULT1端口從而封鎖全部六路PWM端口。本系統(tǒng)使PWMMC工作在中心對(duì)齊模式，在PWM時(shí)鐘頻率為8MHz下其載波周期計(jì)算公式為

    載波周期=1/10k=PMOD(H:L)×(1/8M)×2

所以本系統(tǒng)須初始化PMOD(H:L)=＄0190(注：＄為MR16中十六進(jìn)制符號(hào))

2.5  系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

    本系統(tǒng)通過數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制。系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。反饋信號(hào)來(lái)自交流電壓的AD采樣，為了保證精度，本系統(tǒng)利用變壓器進(jìn)行電壓采樣。剛啟動(dòng)時(shí)給定電壓取自軟啟動(dòng)輸出，軟啟動(dòng)是為了避免啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生大的峰值電流，軟啟動(dòng)采用逐次加1遞增到所需電壓的方法，軟啟動(dòng)結(jié)束后給定電壓就是對(duì)應(yīng)于220V電壓的數(shù)值。為了加強(qiáng)快速性，本系統(tǒng)采用前饋控制與反饋控制相結(jié)合的控制方式。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)輸出特性，本系統(tǒng)采用根據(jù)偏差大小改變比例系數(shù)和積分系數(shù)的模糊控制方法，當(dāng)偏差較大時(shí)，比例系數(shù)和積分系數(shù)也較大，當(dāng)偏差較小時(shí)比例系數(shù)和積分系數(shù)也較小，從而大大減少了超調(diào)量，很容易使系統(tǒng)穩(wěn)定，完全消除了積分飽和現(xiàn)象，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)能力。

圖3  系統(tǒng)控制框圖 [!--empirenews.page--]

3  串行通信

    為了增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)不同環(huán)境的能力，有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)測(cè)及對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)采用串行通信技術(shù)同外界鍵盤監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。程序上采用查詢方式，周期性地向外界發(fā)送檢測(cè)的數(shù)據(jù)，檢測(cè)的數(shù)據(jù)包括太陽(yáng)電池電壓、充電電流、蓄電池電壓、直流側(cè)電流、輸出電壓、輸出電流、散熱器溫度等，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)優(yōu)先發(fā)送故障信號(hào)，當(dāng)需要修改參數(shù)時(shí)就接收數(shù)據(jù)并修改相應(yīng)參數(shù)，并使用校驗(yàn)和校驗(yàn)的方法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性。硬件采用MAXIM公司的MAX485作為接口芯片使其工作于半雙工模式，同時(shí)本系統(tǒng)采用光耦隔離的辦法以增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，提高可靠性。

4  系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括初始化模塊、保護(hù)模塊、調(diào)節(jié)器模塊、通信模塊、中斷程序模塊等，除中斷模塊外其余模塊都放在主程序中進(jìn)行，主程序框圖見圖4。

圖4  主程序流程圖

    初始化模塊主要完成系統(tǒng)的初始化、各變量單元、各寄存器單元賦初值。

    保護(hù)模塊根據(jù)電壓電流采樣值進(jìn)行故障判斷，并在故障發(fā)生時(shí)封鎖PWM的輸出。保護(hù)包括蓄電池欠壓、蓄電池過壓、系統(tǒng)過載、過熱保護(hù)等，其中蓄電池欠壓、過壓保護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)自恢復(fù)，即在檢測(cè)到蓄電池電壓又恢復(fù)正常時(shí)，系統(tǒng)重新軟啟動(dòng)并恢復(fù)正常工作。過流保護(hù)由于需要快速反應(yīng)故采用硬件保護(hù)，當(dāng)過流發(fā)生時(shí)就立即封鎖全部PWM輸出，也立即封鎖全部驅(qū)動(dòng)電路，只有重新復(fù)位時(shí)才能恢復(fù)工作，軟件可判斷出是否發(fā)生過流保護(hù)。

    調(diào)節(jié)器模塊完成對(duì)系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)壓的PI調(diào)節(jié)，使輸出電壓穩(wěn)定在220V，同時(shí)軟啟動(dòng)也放在其中。其入口參數(shù)為軟啟動(dòng)輸出，出口參數(shù)M送到中斷模塊中參與PWM脈寬的計(jì)算。通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)該參數(shù)的值就能改變脈寬值從而使輸出跟隨給定。

    中斷程序模塊完成SPWM波形的發(fā)出、交流電壓、交流電流參數(shù)的采樣。中斷的入口參數(shù)為PI調(diào)節(jié)器的輸出參數(shù)M，該參數(shù)參與脈寬的計(jì)算即PVALX(H:L)值的計(jì)算，從而改變了占空比也即調(diào)節(jié)了輸出電壓。按照SPWM的規(guī)則2采樣的方法，結(jié)合初始化中對(duì)PWMMC的設(shè)定得脈寬的實(shí)時(shí)計(jì)算公式為

    正半周期：

    PVALX(H:L)=PMOD(H:L)/2＋M×SIN(PTR)

    負(fù)半周期：

    PVALX(H:L)=PMOD(H:L)/2－M×SIN(PTR)

    其中PTR為正弦表指針，SIN(PTR)為對(duì)應(yīng)PTR指針的正弦值。 [!--empirenews.page--]

5  結(jié)語(yǔ)

    按照以上思想制成樣機(jī)，最后能得到比較標(biāo)準(zhǔn)的220V、50Hz正弦電壓，軟啟動(dòng)也很平穩(wěn)，其頻率誤差≤0.1％,輸出電壓誤差≤0.5％。由于采用10kHz的載波頻率，在變壓器原邊得到20kHz高頻信號(hào)，無(wú)噪聲。在上述控制方式下，能保證系統(tǒng)在突然加載或減載時(shí)輸出電壓快速地保持穩(wěn)定。并且與外界鍵盤監(jiān)控系統(tǒng)的串行通信良好，有較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性。其空載和負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形如圖5和圖6所示。

圖5  空載時(shí)輸出電壓波形

圖6  負(fù)載時(shí)輸出電壓波形