摘要：  本文设计了一种基于16位8XC196MC为内核的逆变电源系统，该逆变电源系统的控制实现了全数字操作。逆变部分的SPWM控制脉冲波形完全由8XC196MC单片机生成，并且，使用IR2130实现对功率管的驱动和保护，频率电压可由数码管显示，可用串口与上位机进行通讯。这一设计使逆变电源系统的硬件电路简单、结构紧凑，具有更高的性价比高。经实验室实际电路试验表明：逆变电源输出波形失真小，动态特性良好，具有良好的输出可靠性，因此，这一设计具有广阔的应用前景。

关键字：  逆变电源系统，  IR2130，  

本文设计了一种基于16位8XC196MC为内核的逆变电源系统，该逆变电源系统的控制实现了全数字操作。逆变部分的SPWM控制脉冲波形完全由8XC196MC单片机生成，并且，使用IR2130实现对功率管的驱动和保护，频率电压可由数码管显示，可用串口与上位机进行通讯。这一设计使逆变电源系统的硬件电路简单、结构紧凑，具有更高的性价比高。经实验室实际电路试验表明：逆变电源输出波形失真小，动态特性良好，具有良好的输出可靠性，因此，这一设计具有广阔的应用前景。

1 前 言

近年来，逆变电源在各行各业都得到了广泛应用，各种各样的逆变电源系统层出不穷。本文设计了一种以16位单片机8XC196MC为内核的逆变电源系统。8XC196MC片内集成了一个3相波形发生器WFG，这一特定结构使产生同步脉宽调制波形所需的外设大大简化，同时也更方便控制程序的编制，在构成最小单片机系统的同时可协调完成SPWM波形的生成[1]，以及方便地实现整个系统的检测、保护、智能控制和通讯等各方面的功能。所以，用16位单片机8XC196MC来设计逆变电源系统可使其硬件和软件都得到简化，性能得到进一步的提升。

本文设计的逆变电源系统由蓄电池输入24V直流电，然后通过桥式逆变电路逆变成SPWM波形，经低通滤波器得到正弦波输出。SPWM波形由8XC196MC的3相波形发生器WFG产生，可得到所需电压和频率的正弦波交流电。

2 系统硬件设计

本文设计的逆变电源系统可实现调频、调压功能。通过A/D转换，自动反馈调节电压，使输出波形稳定。三相电压值、频率可用数码管显示，通过使用MAX232E可与PC机通讯，实现远程控制与监测。该系统的硬件框图如图1所示。

图1 逆变电源系统硬件原理框图

基于单片机8XC196MC的逆变电源系统

2010年07月23日 作者：俞志根 来源：《中国电源博览》112期 编辑：ser

2.1 SPWM波形产生电路

SPWM波形是由8XC196MC的专用寄存器WFG控制下完成的。

WFG的功能特点：

片内有3个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器、一个无信号时间(deadtime)发生器和一对可编程的输出。WFG可产生独立的3对PWM波形，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式。一旦起动以后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预[2]。

WFG的工作原理：时基发生器为SPWM建立载波周期。该周期值取决于WG-RELOAD的值;相位驱动通道决定SPWM波形的占空比，可编程输出，每个相位驱动器包含一个可编程的无信号时间发生器;控制电路用来确定工作模式和其它寄存器配置信息。

WFG有2种中断：WFG中断和EXTINT中断。

WFG中断是重装载WG-COUNT时产生。不同的工作方式，有不同的重装载方式，每个PWM周期，方式0在WG-COUNT=WG-RELOAD时产生一次WFG中断，方式1在WG-COUNT=WG-RELOAD和WG-COUNT=1时都产生中断。

EXTINT中断由保护电路产生。可编程设置产生中断的方式，在整个系统检测过流信号，保护电力电子开关器件。

2.2 驱动与保护电路

按照传统的逆变器驱动电路的设计，器件的开关动作需要靠独立的驱动电路来实现，并且要求驱动电路的供电电源要彼此隔离，这显然在很大程度上增加了硬件电路的设计困难，同时也会降低逆变电路工作的可靠性。为了更好地解决上述这些问题，本文选用了美国IR公司的驱动芯片IR2130。该芯片采用自举驱动方式，悬浮沟道设计使其能驱动母线电压小于600 V的各种功率管，开关频率可以从几十赫兹到数十兆赫兹。可通过其内部自举技术的巧妙运用，不仅可使其应用于高压系统，还可以对上下桥臂器件的门极驱动信号产生2微秒的互锁信号，而且还设置了欠压保护功能，可方便的设计过压和过流保护电路[3]。因此，采用这一芯片可方便地设计出高效合理的逆变电源的开关驱动电路。

在实际应用中应该注意一些问题，尤其是要严格设计选用自举二极管和自举电容。自举二极管的恢复时间很重要，本文在设计中采用了快速恢复二极管，其耐压值一定要大于母线电压的峰值。自举电容的容量由功率管的栅极驱动要求和最大开通时间决定，必须保证电容充电到足够的电压，而放电时其两端电压不低于欠压保护动作值，一般驱动开关频率大于5千赫兹时，电容不应该小于0.1 μF。电源电容容量的匹配也十分重要，其值至少是自举电容的十倍。芯片内部自带过流保护功能，一旦发生过流或直通故障，能迅速关断PWM的输出。

该器件只要合理的选择好自举电容、电源电容和自举二极管的参数，就能使逆变电源系统的驱动电路工作起来十分高效可靠。

基于单片机8XC196MC的逆变电源系统

2010年07月23日 作者：俞志根 来源：《中国电源博览》112期 编辑：ser

2.3 显示与通信接口

显示部分采用HD7279A来同时驱动8位共阴极数码管，该芯片完全由单片机控制，接口简单，控制方式灵活。

显示内容：三相电压，三相电流，频率，各种保护状态。

与PC机通信使用MAX232E芯片来进行电平交换，该芯片产生TTL(单片机侧)电平和RS-232(PC机侧)电平。串行通信口通过MAX232E与PC机串行口相连。这种设计能获得良好的通信效果，同时，硬件成本又十分低廉。

3 系统软件设计

控制系统的软件程序设计是整个逆变电源系统的核心，它决定逆变电源输出的特性好坏，如：电压范围及稳定度、谐波含量、保护功能是否完善、可靠性如何等。本文设计的逆变电源系统控制软件的程序流程如图2所示。

图2 逆变电源控制系统软件流程图

3.1 初始化

计算一个周期内的正弦脉宽值，初始化I/O口和WFG波形发生器，设置载波周期和死区时间。

在方式0中，载波周期TC的计算公式为：

TC=(2×WG-RELOAD)/Fxtal (μs)

在忽略无信号时间的情况下，占空比为：

占空比=(WG-COMPx/WG-RELOAD)×100%

基于单片机8XC196MC的逆变电源系统

2010年07月23日 作者：俞志根 来源：《中国电源博览》112期 编辑：ser

3.2 频率调节和输出电压调节

我们可以通过改变WG-RELOAD中的时间常数，来实现逆变电源系统输出频率的调节。通常保持同步调制关系，即频率调制比不变，mf=常量。在频率调节过程为保证输出电压不变，在改变G-RELOAD内容的同时，按比较结果改变WG-COMPx中的值[4]。

由于负载的变化，输出电压是不稳定的。要达到良好的动态稳压特性，采用输出电压反馈闭环控制。采用的算法为增量数字PID：

u(k)=u(k)-u(k-1)=kp[e(k)-e(k-1)]+k1e(k)+kD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

按PID的结果修正各开关周期的脉宽，可以达到调节电压目的。

3.3 对外串行接口程序

8XC196MC单片机的串行通讯方式在实际应用中效果非常好，其灵活性和实用性是其它独立串口所无法比拟的。利用EPA和PTS实现串行通讯可完成与PC机的RS232方式的通信，进行数据的发送或者上传。

4 实验结果分析

本文采用以上的设计方案，在实验室搭建了一个硬件电路进行试验。试验参数为：直流24 V电压输入，载波频率9.6 kHz，主回路功率管IRF540，直流侧电容C=470 μF，变压器的匝数比1∶10，输出滤波电感Lf=6 mH，输出滤波电容Cf=30 μF。

图3为试验电路的输出波形：

图3 逆变电源系统输出电压波形

5 结 语

实验表明，本文设计的逆变电源系统结构合理，体积小、成本低，输出波形好，可实现调压调频，动态特性好，可靠性高，所设计的控制电路大为简化，并且实现了全数字化，可方便地实现对电源系统的能智能控制和远程监测，应用前景广阔。