范壽銘，黃凱倫

（溫州大學(xué) 浙江 溫州 325000）

現(xiàn)在隨著汽車的普及度越來越高，人們對(duì)汽車的功能要求也越來越高，尤其是有車族對(duì)車載電源方面的要求，車載逆變電源作為一種可以提供220 V交流電的裝置，不僅可以為人們的各種手機(jī)，筆記本電腦充電，還可以支持車載DVD，車載冰箱等電器。據(jù)有效統(tǒng)計(jì)，國外目前車載電源普及率為70%，而國內(nèi)僅為20%左右。而且國內(nèi)目前出售的部分車載逆變電源可靠性不高，價(jià)格昂貴，針對(duì)此特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種具有可靠性，安全性，優(yōu)質(zhì)性的車載電源尤為重要。本文對(duì)小功率車載逆變電源展開設(shè)計(jì)與研究。此設(shè)計(jì)的核心為SPWM控制技術(shù)[1]，用DSP2812產(chǎn)生SPWM波形，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為4個(gè)部分，分別為DC/DC變換、DC/AC變換、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路。如圖1所示。

蓄電池的12 V直流電輸入到DC/DC模塊中，輸出為260 V的直流電，輸入到DC/AC模塊中，產(chǎn)生220 V交流電提供給負(fù)載。DC/DC和DC/AC模塊采用驅(qū)動(dòng)電路來控制，其中DC/DC模塊以TL494芯片控制，而DC/AC模塊則需要驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生SPWM波形來控制。保護(hù)電路是用來防止負(fù)載兩端電壓過高而燒壞用電設(shè)備，防止變壓器一次側(cè)流經(jīng)開關(guān)管電流過大燒壞開關(guān)管。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 The system principle diagram

當(dāng)DC/AC逆變完成后產(chǎn)生的交流電通過交流互感器采集經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換輸入到驅(qū)動(dòng)電路里，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的模糊PID控制[2]。使電壓穩(wěn)定在220 V左右。

其中考慮到蓄電池的電壓會(huì)下降，當(dāng)電量不足時(shí)，蓄電池兩端電壓可能達(dá)不到12 V，從而使變壓器二次側(cè)電壓不足220 V，所以選取合適的變壓器使變壓器二次側(cè)的電壓在260 V左右，之后通過SPWM來調(diào)至220 V。

2 模塊介紹

2.1 DC/DC變換電路

DC/DC模塊電路如圖2所示。

圖2 DC/DC變換電路圖Fig.2 DC/DCconversion circuit diagram

變壓器一次側(cè)采用帶中心抽頭變壓器的逆變電路[3]，原邊中心抽頭接蓄電池12 V，兩端用開關(guān)管控制交替工作，副邊繞組接成全波整流形式。變壓器的扎數(shù)比為1:22，使得變壓器二次側(cè)輸出電壓約為交流260 V。在兩個(gè)開關(guān)管兩段分別并聯(lián)兩個(gè)續(xù)流二極管，然后變壓器二次側(cè)接一個(gè)橋式整流電路，使得輸出為直流260 V，完成DC/DC變換。

其中如果擬定最大負(fù)載為1 000 W，當(dāng)接最大負(fù)載時(shí)，變壓器一次側(cè)的電流約為83.3 A，所以Q1、Q2在選型時(shí)其最大導(dǎo)通電流要大于83 A，橋式整流電路流過的最大電流約為4 A，在D1選型時(shí)也要考慮最大電流問題。

2.2 DC/AC變換電路

DC/AC變換電路如圖3所示。

DC/AC的變換是通過全橋逆變由4個(gè)可控開關(guān)管分為兩組，兩兩一組輪流導(dǎo)通。例如當(dāng)A，D導(dǎo)通時(shí)B，C關(guān)斷流過負(fù)載電流規(guī)定為正方向，當(dāng)B，C導(dǎo)通時(shí)A，D關(guān)斷，流過負(fù)載的電流則為負(fù)方向，從而使流過負(fù)載的電流為交流。4個(gè)可控開關(guān)管的控制端接驅(qū)動(dòng)電路（控制電路）。

圖4 TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The internal structure of TL494

圖3 DC/AC變換電路圖Fig.3 DC/ACconversion circuit diagram

4個(gè)開關(guān)管都采用SPWM控制，通過改變開關(guān)管的觸發(fā)角大小，從而改變負(fù)載兩端電壓大小，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載兩端電壓從0～260 V的調(diào)節(jié)。這里負(fù)載兩端電壓調(diào)至220 V。C1為濾波電容，DC/DC變換輸出的直流電流中含有交流分量，故需要一個(gè)電容來濾除交流分量，使輸入到DC/AC模塊中的電流為直流。以提高負(fù)載兩端電壓的質(zhì)量。

2.3 控制電路

TL494是一種性能優(yōu)良的脈寬調(diào)制控制器[4]，其中包括基準(zhǔn)電源、誤差放大器、頻率可變鋸齒波震蕩器、PWM比較器、觸發(fā)器、輸出控制電路、輸出晶體管及死區(qū)時(shí)間控制電路等。

TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

本文考慮到輸出諧波和控制問題，故采用面積等效法來產(chǎn)生SPWM，即把正弦波半個(gè)周期分為n等份，用與每份面積相等的矩形脈沖來替代，因?yàn)榫匦蚊}沖寬度與對(duì)應(yīng)的正弦波面積為相應(yīng)比例，所以可以通過計(jì)算來得到每個(gè)矩形脈沖的寬度和輸出不同時(shí)矩形脈沖的寬度值，形成一個(gè) 50 Hz正弦波表的數(shù)據(jù)，將該組數(shù)據(jù)按每頁 256個(gè)字節(jié)存于DSP內(nèi)存中，每頁不滿 256個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后面補(bǔ) 0，這樣可以方便DSP讀取數(shù)據(jù)和提高運(yùn)行速度[5]。利用DSP運(yùn)算速度快的優(yōu)勢，達(dá)到實(shí)時(shí)控制4個(gè)晶體管的要求。

DSP2812一般使用外部時(shí)鐘，所以要先對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行初始化，然后將PLL控制寄存器PLLCR取值為10，送至CPU的是時(shí)鐘則為150 MHz。主函數(shù)流程圖如圖5所示，初始化包括：系統(tǒng)時(shí)鐘配置，PIE控制寄存器初始化，PIE中斷向量表初始化，GPIO口初始化，EVA初始化。開中斷實(shí)際上是定時(shí)器T1開始計(jì)數(shù)。在通用定時(shí)器初始化的時(shí)候便將中斷打開。當(dāng)T1CNT和T1CMPR的值相等時(shí)發(fā)生比較匹配事件，如果T1控制寄存器T1CON的TWCMPR為1，定時(shí)比較器被使能，且GPTONA的位TCMPOE為1時(shí)，定時(shí)器比較輸出被使能，那么T1PWM_T1CMP引腳就會(huì)有SPWM波形輸出。

圖5 DSP2812內(nèi)部程序主函數(shù)流程圖Fig.5 DSP2812 Internal program flow chart of the main function

2.4 模糊PID控制及保護(hù)電路

模糊PID控制：目前大多數(shù)逆變系統(tǒng)都使用常規(guī)PID控制，雖然簡單方便控制，但是很難保證系統(tǒng)在變工況前后都有良好的控制品質(zhì)，系統(tǒng)的可控性較低[6]利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，其結(jié)構(gòu)由常規(guī)PID控制和模糊推理的參數(shù)校正兩部分組成。本文模糊自整定PID控制器采用PI控制器，用本系統(tǒng)的輸出誤差變化率和電壓誤差作為輸入?yún)?shù)，就可達(dá)到在任意時(shí)刻以誤差變化率ec和誤差e對(duì)參數(shù)自我整定的要求。

保護(hù)電路：為了防止變壓器一次側(cè)電流過大燒壞一次側(cè)電路故在變壓器一次側(cè)加裝一個(gè)過電流保護(hù)器，當(dāng)負(fù)載處發(fā)生短路或者負(fù)載功率過大超出規(guī)定功率，過流保護(hù)器動(dòng)作，斷開一次側(cè)電路，達(dá)到保護(hù)功能。在負(fù)載兩端串聯(lián)一個(gè)空氣開關(guān)，當(dāng)發(fā)生漏電或者電壓過高時(shí)，自動(dòng)脫扣，防止漏電事故或者過電壓事故的發(fā)生。在輸出端安裝欠電壓指示電路，當(dāng)輸出電壓過低時(shí)，欠壓保護(hù)指示燈亮起，提醒用戶蓄電池電量不足，應(yīng)及時(shí)充電。

3 仿真結(jié)果

本文采用MULTISIM軟件進(jìn)行模擬仿真。

3.1 負(fù)載兩端電壓

負(fù)載兩端電壓如圖6所示。把Multisim軟件的雙通道模擬示波器接到負(fù)載兩端觀察波形，得到圖5所示的波形，為近似于220 V的方波。

圖6 負(fù)載兩端電壓（multisim示波器）Fig.6 The voltage across the load（multisim OSC）

3.2 波形仿真分析

由于Multisim里面的原件大部分都是理想原件[7]，而實(shí)際當(dāng)中原件不是理想的，例如開關(guān)管有關(guān)斷后的漏電流等，所以仿真結(jié)果還是與實(shí)際有少許誤差，但總體上能反映此系統(tǒng)的功能。經(jīng)過實(shí)物測試，得到的結(jié)果與仿真誤差很小，誤差可以忽略。得到的220 V方波可以代替工頻電作為額定電壓為220 V的設(shè)備電源。

4 結(jié)論

本文的逆變電源設(shè)計(jì)采用SPWM調(diào)制技術(shù)和模糊PID控制，與單純的PWM控制相比使電源輸出穩(wěn)定性提高25%左右，即使汽車蓄電池電壓低于額定電壓10%，仍能有效的輸出額定交流電，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。經(jīng)過實(shí)物測試，保護(hù)電路對(duì)過電壓和過電流的動(dòng)作靈敏，起到了保護(hù)人身安全、蓄電池及逆變電路的保護(hù)作用。

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