基于单片机控制的DC/AC变换

利用微处理器控制产生SPWM(正弦脉宽调制)是实现DC/AC变换的重要技术之一。其基本工作原理是根据能量等效原则，用其每个周期内的N等份矩形波替换正弦波, 而每份矩形波的宽度与其对应正弦波所包含的面积成比例。由此计算出正弦波半个周期内所对应各矩形波的宽度值，和在一定范围不同输出时各组矩形波宽度的数据。将该数据存于内存中，为便于读取数据和提高速度，最好每组数据占用内存的一页（256字节，不满时后面可空着）。控制部分主要由单片机，可预置计数器及相应检测和部分逻辑电路组成。工作时，单片机两个定时器T0和T1分别产生正弦波T/2定时和矩形波周期定时，T0用于控制相应电路改变其正弦波输出的极性，即正负半周。定时开始，计算机从一组数据顺序取出各矩形波宽度的数值并写入可予置计数器，用于控制该脉冲宽度。取数据的间隔时间由T1控制。单片机对输出电压进行检测并与标准值比较，根据比较结果决定从内存所取数据的区域，以达到自动调节输出的目的。本设计采用较流行的MCS—51系列单片机作为主控CPU，因单片机性能优越，且集成度高，不但可提高整机性能还可使电路简捷。对常用的输出电压采样和A/D变换，精度和速度受芯片本身影响较大。对DC/AC电源，一般输出为稳定电压，在一定范围内过高或过低都必须进行调整，故此没有必要非用A/D转换不可，因此我们采用比较器，并通过微处理器来完成稳压功能，这样不但可达到高精度、高速度，还可简化电路降低成本。为保证电路可靠工作，在过流或过压、无输出检测和报警方面均采取了较强措施。

DC/AC电源原理整体框图如图1所示,电路主要由低通滤波、SPWM发生器、输出调节故障判断、高频开关变换、正、负半周合成、平滑等部分组成。本文主要讨论其核心部分，即以单片机为主的SPWM波发生及相应的检测控制电路。该部分原理如图2所示。U1为主控CPU8031，U2、U3为74LS373和27256，用于存放一定范围内不同输出时各组SPWM矩形波宽度的数据，U4、U5为可预置计数器74LS161，两片组成8位计数器，在4MHz时钟下产生0。25～64mS宽度的定时，U6～U9为检测和控制逻辑。8031内部定时器T0用于AC输出(T/2)定时。T用于SPWM矩形波的周期定时。AC输出的正负半周由P1.0控制。SPWM波由D触发器U6：B输出，经74LS00和74LS04分别接正负半周功率变换驱动电路。输出检测比较电路给出的输出范围信号VOL和VOH加在P1.1和P1.2脚，当输出低于正常值时，VOL=“0”，VOH=“1”；而输出高于正常值时，VOL=“1”，VOH=“0”。经检测电路获取的输入欠压、输入过压、输入过流和输出过压、无输出信号及Watchdog信号经线与取反后与8031的RESET端相连，任何一个故障的发生均可使CPU复位，以保护设备。

CPU上电自动复位初始化后，T0、T1开始定时，T0每定时到P1.0取反，控制AC正负半周的输出。CPU控制AC从最低输出开始（软启动），T1定时到则从EPROM取出相应脉宽数据，写入可预置计数器，同时使U6：A的Q输出为“0”，U6：B的Q输出为“1”，功率变换管导通。可预置计数器在4MHZ时钟的作用下从预置值开始计数，当计数溢出时U5的Tc=“1”，U6：A的Q=“1”，U6：B的Q=“0”，功率变换管截止，一个矩形波输出完成，CPU将本半周内的各矩形波按顺序依次输出。T0定时时间到（每半周）检测一次输出幅度，当输出较正常值低时(VOL=“0”)，读取脉宽数据的高位地址加1，当输出较正常值高时(VOH=“0”)，则读取脉宽数据的高位地址减1；正常输出时则维持当前地址不变。另半周的输出与此完全相同，最后由波形合成电路实现完整输出。为保证整机可靠工作，该电路采用了较完善的死机自动恢复和各种故障检测、保护和报警设计。输入过压、欠压、过流、输出过压和无输出任一故障均可使计算机自动复位，前四种故障同时将驱动电路封死使输出为零，以保护内外设备。当故障不能排除时，则发出声、光报警。

因该控制电路结构简单，故软件也较简洁，现将我们以该技术为核心研制《HJD—04大型数字程控交换机DC/AC（铃流）电源》的源程序给出。该DC/AC电源主要指标为：DC输入—48V，AC输出75V、1A、25Hz，主变换频率20KHz，效率≥75%。

以该技术为核心研制的《HJD-04大型数字程控交换机DC/AC(铃流)电源》已经通过了由河南省科委组织的技术鉴定，综合技术指标达到国内领先水平。与通用DC/AC技术相比较，既没有使用A/D也没有使用D/A，电路简洁明了，安全可靠。■

参考文献

1 涂时亮,单片微机MCS-51用户手册,复旦大学出版社，1990。

2 李成章,电源（中小型UPS不间断电源及直流稳压电源）,电子工业出版社，1990。