通過單片機(jī)87C196MC控制實現(xiàn)5KVA機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)的設(shè)計

1 概述

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展和工作生活條件的改善，機(jī)車乘務(wù)人員對工作環(huán)境和條件的要求越來越高，為此需對機(jī)車司機(jī)室安裝空調(diào)系統(tǒng)。但由于空調(diào)機(jī)組是三相交流負(fù)載，而機(jī)車車載電源為DC110V，所以需設(shè)計一逆變電源，將DC 110V變換為AC 380v供給空調(diào)機(jī)組。

考慮到機(jī)車運(yùn)行環(huán)境的特殊性，如：震動較大;工作環(huán)境溫度較高;車門開閉頻繁，使得空調(diào)機(jī)組起停頻繁;司機(jī)室內(nèi)電氣控制設(shè)備和信號設(shè)備密集，易與空調(diào)電源產(chǎn)生相互的電磁干擾等，因此對其空調(diào)電源的抗震性、抗電磁干擾性、運(yùn)行的安全可靠性等方面提出了更高的要求。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，在控制電源和輔發(fā)輸入電壓波動±30%的范圍內(nèi)，逆變電源必須為空調(diào)提供電壓波動在+1 0%/一1 5%，頻率波動在±5%以內(nèi)，額定輸出電壓相對諧波含量（3 1次以下諧波含量總均方根值與輸出總電壓均方根值之比）小于5%的三相380V交流電壓，且在一25℃～7 0℃之間均能可靠運(yùn)行。

2 工作原理與硬件結(jié)構(gòu)

由主電路部分和控制部分組成。升壓斬波電路由PWM控制器SG3525進(jìn)行控制，逆變電路以inte1公司的單片機(jī)87C196MC為核心進(jìn)行控制。

2.1 主電路

逆變電源的主電路如圖2所示，主要由DC/D C、DC/AC兩部分組成。DC 1 1 0V輸入電壓經(jīng)CI濾波后送至由Ll、T1、D7組成的升壓電路，電壓變?yōu)镈C 540V。由VT 1～V T 6及D 1一D 6組成的逆變電路將此DC 540V電壓逆變?yōu)槿郃C 3 80V。升壓斬波電路采用B00 St變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)管采用I G B T。逆變橋的開關(guān)器件采用先進(jìn)的智能功率模塊IPM。IPM是以IGBT為基本功率開關(guān)器件，同時內(nèi)部集成了優(yōu)化的門極驅(qū)動及保護(hù)電路的功能模塊，其保護(hù)功能主要有過流、控制電源欠壓和管芯過熱等保護(hù)。當(dāng)模塊發(fā)生故障時，可以根據(jù)IPM故障輸出端的輸出信號，進(jìn)行故障判斷。系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，結(jié)構(gòu)更緊湊。

2.2 升壓電路的控制

升壓電路采用P W M控制器SG 3 5 2 5進(jìn)行控制，其外圍電路如圖3所示。SG3 525是電壓型的PWM控制器，即按照反饋電壓來調(diào)整輸出脈寬，內(nèi)部由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、PWM鎖存器、欠壓鎖定電路、觸發(fā)器、或非門、輸出級、軟啟動和關(guān)閉電路組成。

電路上電后，振蕩器產(chǎn)生幅值在1.2v～3.6v之間的連續(xù)三角波送至sG3525芯片內(nèi)部的PWM比較器，同時產(chǎn)生供T觸發(fā)器工作的同步方波脈沖。

隔離運(yùn)放U1（A7408）和運(yùn)放U2（C40 74G）組成比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，升壓電路的輸出電壓經(jīng)過此P I調(diào)節(jié)器得到電壓負(fù)反饋信號，輸入到S G 3 5 2 5內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端，與同相端的芯片內(nèi)部產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓經(jīng)比較、放大，輸出至PWM比較器，與振蕩器的三角波比較，輸出的方波與內(nèi)部的T觸發(fā)器的輸出脈沖一起送至芯片內(nèi)部的或非門，使兩個輸出驅(qū)動管交替導(dǎo)通，產(chǎn)生一路開關(guān)控制信號（1 1腳或1 4腳）。開關(guān)控制信號的脈寬由電壓反饋信號控制，當(dāng)輸出電壓高于540V時，經(jīng)過運(yùn)算放大器隔離和放大的電壓反饋信號增大，由于SG3525的負(fù)反饋，使其輸出的PWM波脈寬減小，斬波輸出電壓降低;反之，SG 3 5 2 5輸出PWM波脈寬增大，斬波輸出電壓升高，從而使輸出電壓維持5 4 0 V的穩(wěn)定。

由于斬波電路中P W M波的占空比范圍約為0～8 4%。而SG3525單路輸出的占空比最大只能達(dá)到50%，所以這里將芯片的1 1引腳和1 4引腳輸出的兩路相位互差1 80。的PWM脈沖經(jīng)外接的或非門U3以后輸出給升壓電路的開關(guān)管，使脈沖頻率提高了一倍，滿足了占空比的要求。

2.3 逆變控制器87C196MH

逆變電路采用i n t e l公司的8 7 C 1 9 6 M C作為控制器。8 7 C 1 9 6 M C是為三相交流感應(yīng)電機(jī)和支流無刷電機(jī)而設(shè)計的1 6位單片機(jī)，由一個C1 96內(nèi)核、一個A/D轉(zhuǎn)換器、一個事件處理陣列EPA、兩個定時/計數(shù)器、一個三相波形發(fā)生器WFG和一個脈寬調(diào)制單元PWM和七個I/O口等組成。

87C1 96MC片內(nèi)三相波形發(fā)生器WFG大大簡化了用于產(chǎn)生同步PWM波的控制軟件和外部硬件。WFG共有三個同步的PWM模塊，每個模塊包含一個相位比較寄存器、一個無信號時間發(fā)生器和一對可編程的輸出，產(chǎn)生一對互補(bǔ)的PWM波。故WFG可產(chǎn)生獨立且互不重疊的具有相同頻率和工作方式的三相六路PWM波，由P6口輸出，每路驅(qū)動電流可達(dá)2 μA。為防止同一橋臂上兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通而短路，可通過程序?qū)FG設(shè)置死區(qū)互鎖時間，在使用1 6MH z晶振時，死區(qū)時間可在0.1 25～1 25μs之間設(shè)置。

逆變控制電路硬件原理框圖如圖4所示。啟?？刂齐娐窞殚_關(guān)量控制，按下啟動按鈕，斬波電路先工作，經(jīng)延時后向逆變控制電路發(fā)送啟動信號，單片機(jī)開始輸出PWM脈沖。故障反饋電路在逆變電路發(fā)生輸出過流及輸出缺相時，使單片機(jī)向邏輯保護(hù)電路發(fā)出故障信號，采用繼電器輸出。外部擴(kuò)展E2PROM作為數(shù)據(jù)存儲區(qū)存放按載波比不同設(shè)置的幾個正弦真值表，用于SPWM波的生成。Rs232電路用以實現(xiàn)與鍵盤電路的接口。保護(hù)回路設(shè)有輸出過流保護(hù)和缺相保護(hù)電路，故障保護(hù)采用中斷觸發(fā)方式，過流和缺相保護(hù)信號先接到P 2口，然后經(jīng)與門接到87C196MH的EXTINT，這樣CPU就可以及時的對故障中斷做出響應(yīng)，根據(jù)P2口檢測的電平變化判斷故障類型，使保護(hù)及時動作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 SPWH脈沖寬度的計算

目前生成SPWM波的控制算法主要有自然采樣法，對稱規(guī)則采樣法，不對稱規(guī)則采樣法，面積等效法等。本設(shè)計采用對稱規(guī)則采樣法，以三角波作為載波，正弦波作為調(diào)制波。

對稱規(guī)則采樣法中，脈沖寬度的計算公式為：

式（2）中，Tt為三角波周期;M為調(diào)制度（O≤M《1）;ω為正弦波頻率，ts為采樣時刻。

用87C196MC的WFG產(chǎn)生SPWM波時，先將正弦波按載波比N離散化、制成表，并將半載波周期也制成表，存到E2PROM。為使三相SPWM波對稱，N應(yīng)為3的整數(shù)倍。從消除諧波考慮，N越大越好，但N值要受開關(guān)器件開關(guān)頻率和單片機(jī)運(yùn)算速度的限制。通過查表和實時計算，得到脈沖寬度值，送到相位比較寄存器WG_COMPx中去。WG_COMPx的值與每次計數(shù)后的加1/減1計數(shù)器WG_COUNT相比較：WG_COUNT減1后，與WG_COMPx相等，輸出一個觸發(fā)信號;WG_COUNT減1到0001H后，重新加1，與WG_COMPx相等，再輸出一個觸發(fā)信號，這兩個觸發(fā)信號之間的時間間隔就是脈沖寬度。開關(guān)頻率由重新裝載寄存器WG_RELOAD確定。

三相SPWM脈寬計算公式如下：

系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)主型序、EXTINT故障中斷子程序、WFG中斷子程序、 A/D采樣中斷子程序等組成。

主程序主要功能有：對單片機(jī)各功能部件進(jìn)行初始化和參數(shù)設(shè)置，對鍵盤和按鈕狀態(tài)進(jìn)行檢測，采樣逆變電路輸入電壓與輸出電流并判斷是否滿足要求，邏輯控制與故障處理，計算調(diào)制度M等。WFG中斷子程序主要用來產(chǎn)生SPWM波，通過調(diào)制度M和查詢存儲在E2PROM里的正弦函數(shù)表，計算SPWM脈寬，生成SPWM波。EXTINT子程序主要用于故障分析與處理，當(dāng)發(fā)生故障時，通過檢測不同的I/O口來確定是何種故障，并視故障性質(zhì)完成故障報警、封鎖出發(fā)脈沖或跳閘等保護(hù)動作。

4 EHC設(shè)計

為了能讓機(jī)車空凋電源在惡劣的環(huán)境下能可靠地運(yùn)行，合理有效的抗干擾措施是必不可少的。

在硬件主電路中，對DC 11OV輸入電壓和DC 540V斬波輸出電壓都采用電容進(jìn)行濾波，以減弱來自外部和斬波電路中產(chǎn)生的噪聲，同時，逆變電路采用IPM模塊，使結(jié)構(gòu)緊湊，降低了電磁干擾。

控制電路中，在電源輸入端加設(shè)電源濾波器，電源變壓器采用屏蔽變壓器?？刂齐娐返牡厥菓腋〉?，與主電路不共地，二者接口處采用高速光耦進(jìn)行隔離。傳輸導(dǎo)線采用雙絞線，且布線時使信號線盡量遠(yuǎn)離高壓大電流的主電路線路。在印制電路板的設(shè)計中，將相互關(guān)聯(lián)的器件就近擺放，把功率電路和控制電路的元件盡量隔開距離，并將輸入和輸出信號盡量放置在引線端口附近，各集成芯片的電源與地之間接入高頻特性好的0.01～0.1μF的CBB去耦電容等。

5 結(jié)語

經(jīng)實驗證明，本電源各技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計的要求。在機(jī)車上可長時間滿載運(yùn)行，能夠滿足機(jī)車惡劣運(yùn)行工況的要求，工作穩(wěn)定可靠。