基于單片機的新型電子負載控制研究

軒克輝， 李金方， 李 遠

（漯河職業技術學院， 河南 漯河 462000）

1 新型電子負載控制硬件設計

對于本文所設計的基于單片機的新型電子負載控制裝置[1]，其總體架構如圖1 所示。在直流升壓的PWM控制環節，電壓檢測輸入到單片機中進行數字處理，而電流檢測則在模擬電路中進行，在逆變環節也采用相同的處理方式。

圖1 系統整體結構

1.1 主回路電路設計

主回路電路如圖2 所示，由1 個IGBT 為電路提供400 V 直流電壓，采用4 個IGBT 組成全橋逆變器向電網回饋電能。UPS 端的220 V 交流電壓整流后變為310 V 的直流電壓，通過電感、開關等器件，采用電壓外環，電流內環的雙環PWM方式升壓至400 V 直流電壓。經過4 個開關器件，逆變成400 V 的方波電壓信號。然后，經過電感、電容組成的濾波電路輸出正弦交流信號，該正弦交流信號經過隔離變壓器將電能回饋至市電電網[2-4]。

圖2 系統主回路電路

1.2 驅動電路設計

為了能夠使IGBT 正常工作，本文選用M57959器件作為核心單元搭建驅動電路，如圖3 所示，既滿足了IGBT的驅動功能，又實現了電路的過壓保護功能。

圖3 M57959 驅動IGBT 典型電路

1.3 電壓檢測設計

對于直流電壓的檢測，選取了KV50A/P 型號的電壓檢測核心器件，搭建的電路如圖4 所示。利用了霍爾效應與磁補償原理，通過原邊電阻來測量流過電阻的電流，間接測出電壓信號。需要注意的是，直流端的電容會給系統引入波紋，因此，在設計的時候需要增加濾波電路。

圖4 直流電壓檢測電路

1.4 電流檢測設計

電流檢測可分為直流電流檢測與交流電流檢測，前者主要為系統提供反饋信號，后者主要用來產生系統同步信號。在該環節中，選取KT20A/PA 信號的電流檢測器件作為核心器件，所搭建的電流如圖5 所示。其主要原理是通過測量電流檢測器件外圍電阻上的電壓值，由電壓值間接得出電流值。因此，此環節往往會產生諧波，需要增加濾波調理電路，將電壓輸出值設置到合理的范圍，并且消除諧波。

圖5 電流檢測電路

1.5 電壓相位與幅度檢測設計

在該環節電路設計時，首先通過硬件將電網輸出的正弦電壓信號轉換成3.3 V 脈沖信號，兩種信號有相同的過零點，當原始電網電壓信號處在過零點上升處時，脈沖信號輸出高電平，具體設計如圖6 所示。圖6 中選取的CSB2-10 mA 器件可以將電網電壓信號轉換成同相位的電信號，并能夠與高電壓隔離開來。經過比較器LM339 后，產生了與電網電壓信號同相的方波信號，以此來實現對相位的檢測。對于幅度的檢測，原始市電電壓信號經過放大器之后，輸入給AD進行幅度檢測，當幅度值低于閾值時，設備關機。

圖6 電網電壓同步信號產生電路

2 新型電子負載控制軟件設計

本設計主程序每隔20 ms 運行一次，負責所有軟件的管理、各種寄存器及中斷的設計，同時，結合運行檢測的結果實現對子程序的調用，主程序流程圖如圖7 所示。

圖7 主程序流程

對于采用子程序的設計，在收到采樣觸發標志后，立即啟動采樣操作，結合定時設計連續采樣60 次，可以完成10 ms 的電壓采集，這樣就可以計算出電壓均值及最大值。采樣標志是在正弦信號過零點時設定的，在采樣開始時清除。因此，我們可以大概算出采樣標志每隔20 ms 設定一次。除此之外，采樣子程序還設計了過壓保護功能，采樣子程序流程如圖8 所示。

圖8 采樣子程序流程

3 結語

針對UPS 電源傳統大電阻負載能耗放電模式檢測中的問題，本文從硬件設計與軟件設計兩個方面對新型電子負載控制裝置進行分析，提出了一種新的電子負載控制方案，通過對電阻特性進行模擬，極大地提高了電源測試效率，解決了傳統方式存在的問題，提高了經濟效益。