DOI:10.16545/j.cnki.cmet.2013.05.007 矿用大功率逆变电源电路的设计周成虎(郑州市艺达建设工程咨询有限公司，河南郑州450005)摘要:采用C8051F020单片机进行控制，设计了矿用逆变电源电路，电源电路以数字正弦脉宽脉位调制(SPWPM)控制算法。经试验，结果证明该电源电路可行，具有输出电压自动调节、过压保护、输入过压保护及过热保护等功能。关键词:逆变器;脉宽调制;单片机控制中图分类号:TN86;TM464文献标识码:B文章编号:1001－0874(2013)05－0033－03DesignofMineHighPowerInverterPowerSupplyCircuitZhouChenghu(ZhengzhouYidaConstructionEngineeringConsultingCo．，Ltd．，Zhengzhou450005，China)Abstract:UsesC8051F020SCM(Single-ChipMicrocomputer)tocontrol，designsmineinverterpowersupplycircuit．Thispoweradoptsdigitalsinepulsewidthmodulation(SPWPM)controlalgorithm．Thetestresultshowsthatthecircuitisfeasibleandhasthefunctionsofoutputvoltageautomaticadjustment，over-voltageprotection，inputover-voltageprotectionandoverheatingprotectionetc．Keywords:inverter;pulsewidthmodulation;single-chipcontrol1矿用大功率逆变电源系统为提高系统的实时性和可靠性，用单片机C8051F020生成SPWM及输出电压的闭环控制，设计了矿用逆变电源电路，逆变电源系统框图如图1所示。图1逆变电源系统框图由图1看出，整个电路分为:全桥逆变主电路，驱动电路和保护电路。直流蓄电池电源输入，经滤波输入到桥式逆变电路。采用IＲF840作为功率器件，IＲ2110作为MOSFET的驱动电路。PWM发生器在单片机的控制下，通过驱动电路对输出脉冲进行调制就可改变输出电压和频率，再经输出变压器隔离，电容滤波后获得正弦波形输出供给负载。2系统硬件电路设计及原理2．1主电路拓扑结构及工作原理全桥变换器拓扑结构如图2所示。功率变压器T1接在开关管VT1、VT2的连接点与VT3、VT4的连接点之间。在每个周期内VT2、VT3与VT4、VT1交替导通，导通时间由单片机PWM控制。变压器初级电压为正弦波，幅值为正、负方波电压［1］。其全桥变换器有两个输出，即主输出U0和反馈输出Uf。电路工作过程为，斜对角的两个开关管(VT2和VT3图2全桥变换拓扑结构图·33·2013年第5期煤矿机电中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

或VT4和VT1)同时导通，两组开关管交替导通半个周期，若忽略开关管的导通压降，则施加到变压器的初级电压是幅值为Vdc、宽度为Ton(受反馈环控制)交变信号。当输入电压Vdc上升或下降时，脉宽调制器将以同样的比例减小或增大脉宽来保持输出电压恒定［2］。2．2单片机产生正弦脉宽调制SPWM波的原理用C8051F020的PCA计数器产生SPWM波形的基本原理是:在高速输出且允许中断方式下，在中断服务程序中将事先计算好的SPWM波形的脉冲宽度累加到捕捉/比较模块寄存器PCAOCPn(高8位PCAOCPHn和低8位PCAOCPLn)中，这样在捕捉/比较模块寄存器和计数器/定时器相匹配时，就得到相应的SPWM波形不断交替的高低电平。SPWM波形的脉冲宽度采用查表法，使用软件给定一系列固定的采样点数，根据需要调节振幅系数，输入初始相位，运行并保存就能得到所需的数据。用该仿真软件计算得到的一组PWM采样点数据如下所示。0，0，1，1，2，3，3，4，4，5，5，6，6，7，7，8，8，8，9，9，9，9，9，9，9，9，9，9，9，9，9，9，9，8，8，8，7，7，6，6，5，5，4，4，3，3，2，1，1，0，0，0，－1，－1，－2，－3，－3，－4，－4，－5，－5，－6，－6，－7，－7，－8，－8，－8，－9，－9，－9，－9，－9，－9，－9，－9，－9，－9，－9，－9，－9，－9，－9，－8，－8，－8，－7，－7，－6，－6，－5，－5，－4，－4，－3，－3，－2，－1，－1，02．3驱动电路设计驱动电路如图3所示。其IＲ2110采用自举电路，具有独立的高端和低端输出通道。它采用施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定，开通与关断传输延迟时间是接近匹配的(失配时间不大于10ns)，开通传输延迟时间比关断传输延迟时间长25ns，这样保证了功率管在工作时不会发生重叠导通。为了更加安全起见，可在功率管的栅极上加一电阻与二极管网络，可进一步延迟功率管的导通，对其关断没有影响，这就相当于增加了死区时间。图3驱动电路原理图输出逆变电路采用了全桥拓扑结构，主要选择了两个IＲ2110驱动器构成全桥驱动电路。由于单片机产生的SPWM的幅度较小，而IＲ2110的输入电压幅度在10～15V之间，这样就需要加上光耦，把单片机产生的SPWM的信号电压的幅度放大。本文采用高速光耦6N137。3软件设计主程序流程图如图4所示，在系统初始化过后首先设置输出频率，然后计算SPWM脉宽，根据所设频率选择调制比N，计算脉宽并确定最大值。在SPWYM输出程序中，设置PCA特殊功能寄存器并启动计数器输出SPWM波形。·43·煤矿机电2013年第5期中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

在中断服务程序中根据CCFn的值判断匹配捕捉/比较模块，然后根据该模块CEX引脚的电平状态，判断是否将SPWM波形的高电平脉宽值累加到捕捉/比较模块寄存器上。同时，根据脉宽数据指针与最大值是否相等来确定SPWM周期，当载波比N发生变化时，最大值会被修正。图4软件流程图4实验结果实验电源为48V蓄电池，输出电压V0=660V，输出电流I0=0～1．5A，开关频率fs=1kHz。实验波形如图5所示。实验证明该系统工作稳定可靠。图5负载电压波形5结语通过采用C8051单片机进行控制，并以数字正弦脉宽位调制(SPWM)控制算法，所设计的矿用大功率逆变电源电路具有运算精度高、时间可调节性强的特点。同时，通过改变SPWM波脉宽计算的办法，可实现单极性SPWM波形。该电源电路经试验，已取得较好的效果。参考文献:［1］BarkerPP．Ultracapacitorsforuseinpowerqualityanddistribu-tedresourceapplications［C］//PowerEngineeringsocietySummerMeeting，IEEE．2002，3(18):1516-1523．［2］李开彦，贺攀，干磊．PWM技术优化的实现与应用［J］．煤炭技术，2011，30(9):66-69．作者简介:周成虎(1973－)，男，工程师。研究方向为电气工程。(收稿日期:2013－03－01;责任编辑:姚克檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿)(上接第32页)5结语本文所设计的软开关电源具有高效节能、轻巧省料、控制性能好等特点，在消除网侧电流谐波，改善网侧功率因数，控制逆变输出波形，提高系统动态响应性能等方面有很大的改善。整个系统更加紧凑，提高了抗干扰性，保证了煤矿监控系统运行的实时性和稳定性［8］，通过使逆变器开关器件工作在ZVZCS软开关状态，为进一步提高其工作频率奠定了基础。监控系统的微处理器的逻辑电路发展趋势就是低压大电流，仿真实验证明，电源的性能可以满足煤矿监控系统电源的要求。参考文献:［1］成亮．煤矿安全生产井下供电系统研究［J］．中小企业管理与科技，2011(30)．［2］黎粤梅．高频开关电源节能技术的探索［J］．科技资讯，2011(17)．［3］姜少飞，闫英敏，赵霞，等．基于DSP的数字PID控制在开关电源中的应用［J］．国外电子测量技术，2009(6):69-70．［4］王增福，李昶，魏永明．软开关电源原理与应用［M］．北京:电子工业出版社，2006．［5］金影梅．基于DSP的软开关电源的研究［J］．科技广场，2010，36(2):198-200．［6］万山明．TMS320F281xDSP原理及应用实例［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2007．［7］李远波，张永俊，周慧峰，等．基于DSP的软开关逆变式脉冲电源［J］．电力电子技术，2009，43(11):60-61．［8］吴雷，张健，沈东辉，等．基于DSP的软开关焊接电源研究［J］．电力电子技术，2009，43(8):37-38．作者简介:李俊楠(1985－)，女，助理工程师。2008年毕业于辽宁石油化工大学自动化专业，现在临矿集团技术中心从事技术工作。(收稿日期:2013－03－18;责任编辑:姚克)·53·2013年第5期煤矿机电中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net