基于68HC908MR16單片機的光伏正弦波逆變電源??

摘要：介紹了一種基于MOTOROLA公司生產的68HC908MR16單片機的光伏正弦波逆變電源。該系統應用SPWM技術將經太陽電池陣列充電后的蓄電池電壓，逆變為標準的正弦單相220V、50Hz交流電壓，同時采用新型的數字式PI調節器實現穩壓控制，并通過與外界鍵盤監控系統進行串行通信實現參數調節和系統監控。

關鍵詞：光伏逆變；MR16單片機；PI調節器；串行通信

1? 引言

??? 隨著能源危機的日益加劇和人類環保意識的提高，新能源的開發利用越來越受到人們的重視。而太陽能作為取之不盡用之不竭的高效無污染的能源近來更受人們的青睞。本文介紹的光伏正弦逆變電源系統正是一種適于戶用的、特別適于無電少電的西部邊遠地區用戶的一種電源系統，隨著我國西部大開發的進行其市場前景必將越來越廣闊。

2? 逆變系統結構及原理

2.1? 系統基本結構

??? 系統基本結構框圖如圖1所示。由圖可知，首先太陽電池陣列經充電電路向蓄電池充電，從而得到一個基本穩定的直流電壓，再經逆變電路將直流電逆變成高頻交流電，最后經工頻變壓器升壓和濾波電路濾波變成50Hz、220V正弦交流電壓。整個系統的控制都是由MR16單片機完成的。其核心部分為SPWM波的形成及根據輸出交流電壓采樣形成反饋組成的數字式PI調節器部分。

圖1? 系統基本結構

2.2? 關于MR16單片機

??? 68HC908MR16單片機是一種低成本、高性能的八位單片機。它具有32k字節的可擦寫的片內閃速存儲器FLASH，具有768字節的RAM，對于本系統來說完全夠用；具有一個專門用于電機控制的6路PWM輸出的PWMMC模塊，適合于單相、三相逆變，同時該模塊還有專門用于故障保護的4路FAULT引腳，當故障發生時可在不引起中斷的情況下快速封鎖PWM輸出達到保護的目的；具有可選擇外部晶振時鐘或內部鎖相環時鐘的時鐘發生器模塊，本系統選擇的內部鎖相環時鐘能產生精確的8MHz的內部總線頻率，從而保證了系統的頻率精度；具有可編程的AD時鐘,AD轉換時間最快只需2μs，能最大程度地減少中斷程序的執行時間；具有SCI串行通信接口，可工作于全雙工或半雙工模式，在本系統中能夠可靠地完成與外界鍵盤監控系統的串行通信。

2.3? 逆變主電路

??? 系統主電路采用單相全橋逆變電路如圖2所示。其中開關器件采用適合于小功率裝置、具有開關速度快、工作頻率高等特性的功率MOSFET。開關管的柵極驅動信號來源于MR16單片機產生的SPWM波經驅動電路后的信號。全橋逆變的輸出為高頻SPWM波，經變壓器升壓及濾波后即得到220V、50Hz的標準正弦交流電壓。

圖2? 主電路原理圖

2.4? SPWM波的形成

??? 68HC908MR16單片機具有一個專門用于電機控制的可工作于3對互補模式或獨立模式的包括6路PWM輸出的PWMMC模塊。在本系統中初始化使其工作于3對互補模式即同一橋臂2個PWM信號是為互補的，在初始化中寫一計數值到PMOD(H:L)中以決定載波頻率即開關頻率。PWM波的實時脈寬計算是由中斷程序完成的，每次PWMMC模塊中的PCTN(H:L)計數器計數到PMOD(H:L)中的值時就引起中斷。預先將0～360°的正弦值制成表格存于FLASH某一區域中，每次中斷時從中取一正弦值，經過一定計算后得一數值，將其送入PVALX(H:L)寄存器中，單片機將PVALX(H:L)中的值與PMOD(H:L)中的值比較后自動生成SPWM信號并由PWM引腳發出。為了防止同一橋臂兩個管子同時導通的現象發生，在無信號發生器DEADTIME中的寄存器DEADTM中寫入一數值以確定死區時間。本系統設計死區時間為2.5μs，載波頻率為10kHz，制成包括200個放大的正弦值的正弦表。PWMMC模塊還有4路故障保護端口FAULT1～FAULT4，當端口為高電平時，PWMMC就能根據初始化設定來封鎖相應的PWM輸出，本系統中的過流保護正是利用了這個功能，當發生過電流時，就置位FAULT1端口從而封鎖全部六路PWM端口。本系統使PWMMC工作在中心對齊模式，在PWM時鐘頻率為8MHz下其載波周期計算公式為

??? 載波周期=1/10k=PMOD(H:L)×(1/8M)×2

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

2.5? 系統的控制結構

??? 本系統通過數字式PI調節器實現穩壓控制。系統的控制框圖如圖3所示。反饋信號來自交流電壓的AD采樣，為了保證精度，本系統利用變壓器進行電壓采樣。剛啟動時給定電壓取自軟啟動輸出，軟啟動是為了避免啟動時產生大的峰值電流，軟啟動采用逐次加1遞增到所需電壓的方法，軟啟動結束后給定電壓就是對應于220V電壓的數值。為了加強快速性，本系統采用前饋控制與反饋控制相結合的控制方式。為了增強系統的動態輸出特性，本系統采用根據偏差大小改變比例系數和積分系數的模糊控制方法，當偏差較大時，比例系數和積分系數也較大，當偏差較小時比例系數和積分系數也較小，從而大大減少了超調量，很容易使系統穩定，完全消除了積分飽和現象，也增強了系統的適應能力。

圖3? 系統控制框圖

3? 串行通信

??? 為了增強系統適應不同環境的能力，有必要對系統進行監控監測及對參數進行修改調節，本系統采用串行通信技術同外界鍵盤監控系統進行通信。程序上采用查詢方式，周期性地向外界發送檢測的數據，檢測的數據包括太陽電池電壓、充電電流、蓄電池電壓、直流側電流、輸出電壓、輸出電流、散熱器溫度等，當發生故障時優先發送故障信號，當需要修改參數時就接收數據并修改相應參數，并使用校驗和校驗的方法檢驗數據通信的準確性。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，同時本系統采用光耦隔離的辦法以增強系統抗干擾能力，提高可靠性。

4? 系統的軟件設計

??? 本系統軟件采用模塊化設計，包括初始化模塊、保護模塊、調節器模塊、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的初始化、各變量單元、各寄存器單元賦初值。

??? 保護模塊根據電壓電流采樣值進行故障判斷，并在故障發生時封鎖PWM的輸出。保護包括蓄電池欠壓、蓄電池過壓、系統過載、過熱保護等，其中蓄電池欠壓、過壓保護能夠實現自恢復，即在檢測到蓄電池電壓又恢復正常時，系統重新軟啟動并恢復正常工作。過流保護由于需要快速反應故采用硬件保護，當過流發生時就立即封鎖全部PWM輸出，也立即封鎖全部驅動電路，只有重新復位時才能恢復工作，軟件可判斷出是否發生過流保護。

??? 調節器模塊完成對系統輸出電壓穩壓的PI調節，使輸出電壓穩定在220V，同時軟啟動也放在其中。其入口參數為軟啟動輸出，出口參數M送到中斷模塊中參與PWM脈寬的計算。通過實時調節該參數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波形的發出、交流電壓、交流電流參數的采樣。中斷的入口參數為PI調節器的輸出參數M，該參數參與脈寬的計算即PVALX(H:L)值的計算，從而改變了占空比也即調節了輸出電壓。按照SPWM的規則2采樣的方法，結合初始化中對PWMMC的設定得脈寬的實時計算公式為

??? 正半周期：

??? PVALX(H:L)=PMOD(H:L)/2＋M×SIN(PTR)

??? 負半周期：

??? PVALX(H:L)=PMOD(H:L)/2－M×SIN(PTR)

??? 其中PTR為正弦表指針，SIN(PTR)為對應PTR指針的正弦值。

5? 結語

??? 按照以上思想制成樣機，最后能得到比較標準的220V、50Hz正弦電壓，軟啟動也很平穩，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，無噪聲。在上述控制方式下，能保證系統在突然加載或減載時輸出電壓快速地保持穩定。并且與外界鍵盤監控系統的串行通信良好，有較強的實用性和可靠性。其空載和負載時的輸出電壓波形如圖5和圖6所示。

圖5? 空載時輸出電壓波形

圖6? 負載時輸出電壓波形