基于單片機控制的精密交流步進電源

傅元，張欽，丁振宇

（沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870）

0 引言

隨著電力電子技術地持續發展，電源技術在現代工業生產中是不可或缺的重要組成部分，為了實現負載和系統的高效運行，對電源的設計和制造要求也越來越高。現今程控直流穩壓電源的研究已然相對成熟，而工業測量中所需的高精度交流電源卻甚少。本文設計并實現一種基于單片機控制的精密交流步進電源。設計程序使單片機產生PWM脈沖波，應用功率/電能計量芯片CS5460進行AD采樣，不斷對電源的輸出電壓和輸出電流進行檢查，并與設定值相比較，根據差值控制調節單片機

輸出PWM脈沖波的占空比，從而控制電源功率MOS管的導通和關斷時間[1]，再利用SPWM全橋技術，調制每個周期的基波與若干個載波，并產生正弦化脈沖序列，其有效相位區間滿足按正弦函數值定位，集合成幅度相等、寬度不等，相應區間的面積等同于正弦波且對應正弦量正負半周的脈沖序列。經過互鎖隔離電路、雙路調制或單路分相處理及放大，控制驅動功率開關器件運行，最終得到正弦波，實現交流電壓范圍0.1-220V，步進電壓50mV的電源輸出。該電源具有高精度、使用方便、功耗低、穩定范圍寬、可靠性高等優點。

1 電源硬件系統

電源系統由主電源電路和單片機控制電路兩大部分組成：主電路由典型Top-Switch單端反激電路高頻變壓器及功率開關MOS管組成，實現了DC-DC升壓變換。控制電路是利用單片機軟件編程產生PWM脈沖信號，通過芯片CS5460進行AD采樣不斷檢測電源的輸出電壓和輸出電流，并與設定值相比較，根據差值控制調節單片機輸出PWM脈沖波的占空比，從而控制電源功率MOS管的導通和關斷時間，實現降壓，再根據程序設置改變SPWM信號的輸出狀態，通過逆變器達到將直流電壓轉換成交流步進電壓的目的。

圖1 DC-DC升壓變換原理圖Fig.1 Schematic diagram of DC-DC boost converter

圖2 DC-AC電源變換原理圖Fig.2 DC-AC power supply schematic diagram

圖3 降壓式PWM原理電路圖Fig.3 Buck PWM principle

1.1 DC/DC升壓變換電路（見圖1）

電網交流220V電壓經過電磁干擾濾波器，抑制共模干擾，消除串模干擾，整流濾波后輸出低頻直流電壓，利用控制功率開關管的導通和關閉，調節經過高頻變壓器升壓后輸出方波的占空比來穩定輸出電壓，再進行整流穩壓，得到所需的直流電壓。設計DC-DC升壓變換電路輸出的直流電壓為340V，通過計算可得出，高頻變壓器原邊與次邊的匝數比為36:112。

DC-DC升壓電源模塊采用PWM控制芯片SG3525進行設計。此芯片是一種功能完整、性能優良、通用性強的單片集成PWM控制芯片。功率開關管的導通與關閉由SG3525芯片輸出的兩路反向方波所控制[2]。SG3525芯片的性能指標是：輸入電壓為8～35V可調，輸出為5V/lA。SG3525芯片振蕩頻率由外接的電容和電阻決定，計算公式：振蕩器的輸出分為兩路：一路以時鐘脈沖形式輸入到雙穩態觸發器及兩個或非門。雙穩態觸發器交替、互補地輸出高低電平，PWM波同時輸入兩個三極管的基極。另一路以鋸齒波的形式輸入到比較器的同相輸入端，利用鋸齒波加入死區時間，保證當一個三極管導通時，另一個三極管不導通，最后輸出相位差為180°的脈沖波[3]。把誤差放大器輸出的電壓連接到比較器的反相輸入端上，與從振蕩器輸出的鋸齒波進行比較，使輸出的方波隨著輸出電壓的高低變化脈沖寬度。

功率開關器件一般采用兩種方式：直接驅動和隔離驅動。隔離驅動又分為光耦隔離和電磁隔離兩種方式。光耦隔離電路結構簡單，體積小，但共模抑制較差，傳輸速度較慢。電磁隔離的隔離元件是脈沖變壓器，其響應速度快，共模抑制強，但體積較大，結構加工復雜，且傳輸信號會有失真。功率開關管的驅動芯片選擇IR2110芯片，包含了光耦隔離以及電磁隔離的優點，其傳輸響應速度快、體積小、共模抑制強。它是高壓、高速PMOSFET的理想驅動芯片，工作頻率500kHZ，利用高壓側懸浮驅動的自舉原理，減少了驅動電源的數目[4]。

當輸出的直流電壓發生變化時，用經過分壓電阻得到的取樣電壓與TL431的基準電壓進行比較，在TL431芯片的陰極上產生誤差電壓，使得光耦內部LED的工作電流發生變化，進而改變SG3525芯片的控制端電流大小，調節占空比，從而到達穩壓。

1.2 DC-AC電源變換電路（見圖2）

直流電壓轉換交流電壓的系統設計以單片機系統電路為核心，兼顧運算能力和控制能力。選用了經濟適用的STC12C5410AD芯片，此芯片是一款高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，內部集成MAX810專用復位電路，4路PWM，512字節RAM，12kB程序存儲器，6個16位定時器。采用CS5460芯片來檢測反饋電壓和反饋電流，它是一個包含兩個模-數轉換器（ADC），高速能量計算功能和一個串行口高速集成的模-數轉換器。它可以與低成本的分流器或互感器連接測量電流，也可以與分壓電阻或電壓互感器連接測量電壓。CS5460的特性是有與微控制器通訊的雙向串口和與能量成比例的固定帶寬的可編程頻率輸出[5]。

單片機根據AD采樣反饋的電壓和電流，控制輸出PWM脈沖波，在高頻PWM脈沖的控制下，以一定的占空比D重復導通和關斷轉換器中的PWM開關組合，對輸入電壓進行斬波，形成高頻脈沖方波電壓，完成調制兩次降壓。圖3是降壓型PWM主電路原理電路圖。根據電感的伏秒平衡原則可知

圖4 系統程序流程圖Fig.4 System flow chart

1.3 鍵盤、顯示部分

為了使所設計的試驗用電源產品化、商業化，顯示部分采用液晶顯示屏智能控制。單片機將數據送入到液晶屏進行顯示，觸摸屏的數據通過串行口輸入單片機中。通過顯示屏設定電源的輸出電壓、波形和其相關參數及顯示出電源的工作狀態等。單片機的供電系統是簡單的單端反激式DC-DC電路，由電網220V經過高頻變壓器、功率開關管、降壓穩壓管、整流濾波提供單片機所需要的5V電壓。

2 電源軟件系統

2.1 SPWM技術（見圖3）

電源軟件系統是由單片機STC12C5A60S2芯片的核心的最小系統控制的，利用SPWM波形來控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內面積相等，通過讀取模/數轉換電路輸出的電壓值，實現逆變器輸出的幅值和頻率可調[6]。

使用查表法得到SPWM的脈沖波，基于三角波與調制波的對稱規則進行采樣，離線計算每個SPWM波在半個正弦波周期的脈沖寬度，將值存儲在單片機的RAM中，完成SPWM脈沖寬度值表。當單片機控制系統工作時，設置程序進行自動查表，根據查表值從單片機的PWM口輸出相應寬度的脈沖，模擬脈寬調制法用正弦表設置單片機PCA模塊的模擬比較器中的值，然后經過互鎖隔離電路得到驅動逆變器開關管工作的脈沖值，經過逆變電路完成將直流電源轉變為交流步進電源。

2.2 程序流程圖（見圖4）

3 系統測試

通過上述方法設計了一個輸出范圍為0.1-220V，步進電壓為0.05V的精密步進電源。經過數字電壓表測試DC-DC升壓電路理論輸出直流電壓應為340V，實際輸出340.2V，測量誤差約為0.06%。設置輸出交流電壓峰值12V，實際輸出12.1V，步進電壓0.05V。

4 結論

此精密交流步進電源通過單片機進行控制，不僅硬件上可以通過測試選擇精度更加精確的器件，而且可以不斷在軟件算法上進行優化，改變電源的品質參數和輸出性能，讓電源的輸出更加穩定，可靠性更強。

[1]蘆守平,姜瀚文,徐千.基于單片機控制的程控開關電源研究[J].電子技術應用,2011,5:78-81.

[2]李桂丹,高晗瓔,張春喜.基于SG3525的DC/DC直流變換器的研究[J].通信電源技術,2008,5:28-30.

[3]李杰,宮傳,李國鋒,等.一種高頻高壓電源研制[J].河北大學學報,2007,Z1:157-160.

[4]袁雪松.電動叉車交流異步電動機驅動系統的研究[D].合肥:合肥工業大學,2010.

[5]崔勇,馮斌,張旭東.CS5460A芯片在多路電能測量與數據通信中的應用[J].中國電子商務,2011,1.

[6]張昌玉.三相程控電度表校驗臺用PWM電源的研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學,2009.