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基于AVR單片機的逆變電源設計及EMC分析

時間：2013-05-15 15:05:12來源：孔強強,宋慶軍,程承

導語：?近些年來，隨著現代工業和電力電子技術的發展，逆變電源應用面已越來越廣泛，其工作的穩定性、輸出性能的好壞以及工作效率的高低直接影響到逆變系統的性能和使用領域。

摘要：本文介紹了一套逆變電源系統的設計方案，該逆變電源采用高性能AVR單片機為核心控制芯片，對逆變電源系統中的各硬件電路進行分析設計，并結合模糊自適應控制和數字PI控制各自的優點，給出一套基于模糊自適應整定PI控制的雙閉環控制系統模型，以確保逆變電路的可靠性。并通過電磁干擾的三要素：干擾源、傳輸途徑和敏感設備對此電源的EMC情況進行了測試分析。

關鍵詞：逆變電源；AVR；模糊自適應整定PI控制；EMC

DesignandEMCResearchofthepowersupplyforhighpower

KongQiangqiang,SongQingjun,Chengcheng

(ChinaNationalSemiconductor&DisplayProductsQualitySupervisionandInspectionCenter(Jining),Jining272000，China)

Abstract:Thispaperdiscussestheresearchdesignofaninverterpowersupplysystem，analysisanddesigntheinverterpowersystemhardwarecircuit.ThecorecontrolchipadoptthehighperformanceATmegaseriesAVRmicrocontroller.Inordertoensuretheinvertercircuitreliability,combinethemeritsoffuzzyadaptivecontrolanddigitalPIDcontrol,givenasetoffuzzyadaptivetuningPIcontrolmodelofdouble-loopcontrolsystem.Andthroughtheelectromagneticinterferenceofthreeelements:theinterferencesource,transmissionpathwaysandsensitiveequipmentpowerEMCteststudydesignshouldpayattentiontoandessentialsarebrieflyanalyzed.

Keyword:PowerInverter;AVR;FuzzyAdaptivePIControl;EMC

1引言

近些年來，隨著現代工業和電力電子技術的發展，逆變電源應用面已越來越廣泛，其工作的穩定性、輸出性能的好壞以及工作效率的高低直接影響到逆變系統的性能和使用領域。而隨著電力電子技術和控制理論技術的快速發展，傳統的單獨采用SPWM調制方式已無法滿足高性能逆變電源的高穩態精度輸出。因此，本文探討研究了一套逆變電源系統的設計方案，采用了高性能的ATmega系列AVR單片機為核心控制芯片，對逆變電源系統的軟硬件進行了設計，并著重研究了閉環反饋系統中模糊自適應整定PI的控制算法，為了使逆變系統性能更加穩定，在系統中引入雙閉環控制，通過對輸出電壓電流反饋與參考信號比較控制波形穩定輸出，從而提高單相逆變電源系統的穩態和動態響應速度。最后按GB17743-2007《電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限制和測量方法》進行EMC測試，并對電磁兼容整改措施的有效性和可行性進行了分析。

總體方案設計

逆變主電路系統總體設計方案

針對逆變電源中高功率輸入、電氣需隔離等要求，本文設計了隔離變壓器電路結構作為DC/DC環節主結構。由于需要降低干擾，主系統均采用了外部同步電路。其逆變主電路系統設計采用DC/DC級推挽升壓和DC/AC級全橋逆變的二級總結構，同時DC/DC級升壓電路的驅動信號由PWM控制芯片輸出、DC/AC級逆變電路由高性能微處理器輸出，目的為了有效控制系統的體積質量，同時避免了工頻變壓器的使用，提高了逆變系統的工作效率。其主電路系統結構框圖如圖1所示。

圖1逆變主電路系統結構框圖

Fig.1Invertermaincircuitsystemblockdiagram

2.2高性能逆變控制器AVR單片機介紹

AVR系列單片機主要應用于工業控制、現代通信設備、醫療設備、GPS等IT領域，有很高的性價比，集AD、定時器/計數器、PWM波形發生器、EEROM、閃存、RAM等于一體，功能很強，需要的外圍電路少，廣泛應用于現代純正弦波逆變器產品中。

ATmega16L單片機采用了增強性的AVRRISC結構，具有低功耗、高性能的8位CMOS微控制器。其內具有先進的指令集還有單時鐘周期指令執行時間，加快了CPU的運行速度，ATmega16L的數據吞吐率可高達1MIPS/MHz，因此可以極好的處理系統在功耗和處理速度方面的矛盾。目前ATmega16L有多種封裝形式，本設計采用了PDIP封裝形式，其引腳圖如圖2所示。

圖2ATmega16L引腳圖

Fig.2ATmega16Lpinmap

電源軟硬件設計

DC/AC級的設計

DC/AC逆變級是整個逆變電源系統的重要核心部分，將輸入升壓整流后的高幅值直流電壓轉變為220V交流電壓。DC/AC逆變電路結構圖如圖3所示。

圖3DC/AC逆變電路結構圖

Fig.3DC/ACinvertercircuitdiagram

逆變電路的設計采用了4個MOSFET功率管組成兩組橋臂式的全橋式電路。圖3中，VCC端接入DC/DC級的輸出350V直流電壓，輸出端與LC濾波電路相連接以去除輸出波形的高次諧波，4個MOSFET管的驅動來自于ATmega16L單片機產生兩路互補的SPWM信號。其中，由于Q1、Q4接入一路SPWM信號，Q2、Q3接入另一路SPWM信號，因此Q1和Q3通斷互補，Q2和Q4通斷也互補。當Q1、Q4導通時，VCC接入負載的“+”端；當Q2、Q3導通時，VCC接入負載的“-”端，最后通過濾波就可得到交變電壓信號Uo。

由于全橋逆變電路的輸入約為350V高幅值直流電壓，這里選擇場效應管FDP18N50，其漏極源極擊穿極限電壓為500V，典型導通關斷時間為405ns、最大時間為1040ns，因此正適用于此全橋電路，有效的保證了系統的安全性。

驅動電路在DC/AC逆變電路中主要功能是把單片機所產生的低功率驅動信號進行功率放大，進而推動MOSFET管的正常工作，同時還能使單片機與高壓逆變電路電氣隔離。本設計采用了IR2110作為驅動電路的驅動芯片，IR2110由于采用了高集成電平轉化技術，因而極大減小了逆變電路對于開關器件的要求限制，而IR2110組合驅動電路的上管器件具有外部自舉電容，這樣就大大簡化了驅動電路的設計結構。其驅動電路如圖4所示。

圖4IR2110驅動電路圖

Fig.4IR2110drivercircuitdiagram

推挽電路的設計

DC/DC直流升壓級采用推挽式電路，其工作效率高、結構簡單可靠使用方便靈活。推挽式電路結構圖如圖5所示。

圖5推挽式電路結構圖

Fig.5Push-pullcircuitdiagram

推挽電路的工作原理是：當PWM控制信號輸入Q1的柵極時，Q1開始工作處于導通狀態，因此Vin加在了隔離變壓器初級線圈的1端；同理當PWM控制信號輸入Q2的柵極時，Q2開始工作處于導通狀態，因此Vin加在了隔離變壓器初級線圈的2端，其中1、2兩端需接入兩個33μH的電感。由于兩路PWM信號相位互補，所以Q1、Q2交替導通，這樣在隔離變壓器的初級就產生了交流電壓信號。

3.3PWM控制電路的設計

PWM控制電路的設計如圖6所示。其中開關管的PWM驅動信號由SG3525控制電路產生。SG3525的輸出端11、14引腳產生兩路相位互補、占空比為45%的PWM方波信號來控制兩個IXFH50N80的輪流導通，其輸出信號頻率可通過調節外接電路5引腳的電容和6、7引腳的電阻值改變。

圖6PWM控制電路設計圖

Fig.6PWMcontrolcircuitdesign

3.4模糊自適應整定PI控制器的設計

逆變電源的控制系統通常可分為開環控制系統和閉環控制系統，為了使逆變系統性能更加穩定，在系統中引入雙閉環控制，通過對輸出電壓電流反饋與參考信號比較控制波形穩定輸出，從而提高單相逆變電源系統的穩態和動態響應速度。運用模糊的基本理論，把規則的條件、操作的方法用模糊集一一表示，同時再應用模糊推理，就可以自動實現對PI參數的最優控制，即實現模糊自適應整定PI控制。

模糊自適應整定PI控制器以誤差e和誤差的變化率ec作為輸入，能夠滿足各個時刻的e和ec對PI參數在線自整定的要求。對PI參數在線進行修改利用的是模糊邏輯控制規則，這便構成了自適應整定模糊PI控制器的基本結構。PI參數模糊自適應整定的關鍵是要找出兩個PI參數與誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關系，在整定運行中不斷檢測誤差e和誤差變化率ec，對兩個P、I參數利用模糊控制原理在線進行修改來滿足在不同的e和ec輸入時對被控對象參數的不同要求，進而改善系統的動態和靜態響應特性。其逆變等效電路的設計如圖7所示。

圖7逆變等效電路設計框圖

Fig.7Inverterequivalentcircuitdesigndiagram

其中，電壓外環控制采用模糊自適應整定的PI控制，電壓外環控制的任務是維持輸出電壓的穩定，而輸出電壓只要不產生較大的波動能穩定在給定值信號附近較小范圍內就可達到目的。

3.5模糊自適應整定PI控制電壓外環的參數設計

與模糊控制器的控制規則相同，模糊自適應整定PI控制規則是其核心部分，需要通過學習以及實驗歸納總結出一套人工控制規則策略。模糊自適應整定PI控制系統通過模糊推理對輸入量模糊化、查表、解模糊處理，實施對PI參數的自適應整定，其工作流程圖如圖8所示。

圖8模糊PI控制工作流程圖

Fig.8FuzzyPIcontrolofworkflowchart

4電源的EMC測試

電磁干擾是指電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降。任一電磁干擾的發生必須具備3個要素：干擾源、傳輸途徑和敏感設備。很多電子設備硬件包含具有天線功能的元件，如電纜、印制電路板的印制線、公共阻抗、接地平板、電阻、電感、電容、互感元件、內部連接導線和機械結構等。這些元件能夠以電場、磁場或電磁場的方式傳輸能量并耦合到線路中。

EMC測試，需要一套EMC測試設備，并確定儀器可靠接地。調試中對線路板進行了調整，改變共模電感和安規電容的布線位置，提高共模電感的電感值。測試數據如圖9所示。測試頻率范圍從9kHz到30MHz，紅色線為標準線，當綠色波形位于紅色線1以下，且藍色波形位于紅色線2以下，并有3dB以上裕量為測試合格。

圖9電源端子騷擾電壓初測結果

Fig.9Initialpowerterminalconductivedisturbancevoltagetestresults

從圖4的測試曲線來看，電源端子騷擾電壓的初測結果超標比較嚴重，尤其是在0.1MHz-1MHz的頻段，最大超標幅度超過十幾dB，可能存在的原因有：電源的差模濾波可能不夠，導致在0.1MHz-1MHz的頻段測試曲線超過限制，所以應該考慮如何對差模干擾進行降噪；另外驅動電源內部存在高頻干擾源、內部線纜過長或電路板接地不良等也是造成限制超標的原因，所以需要檢查樣機內部結構和電路板走線，才能給出相應的解決措施。

對樣機內部的每條走線進行梳理，依據的原則為：輸入線與輸出線盡量分離；高頻信號線和低頻信號線盡量分離，還應注意軟開關技術在開關電源中的應用，印刷電路板布線的電磁兼容設計等。在采取了上述措施之后，重測電源端子騷擾電壓，測試結果如圖10所示。

圖10電源端子騷擾電壓重測結果

Fig.10Re-testresultofpowerterminalconductivedisturbancevoltage

從重測結果可以看出，采取的措施起到了一定的效果，對差模干擾進行了降噪，之前超標的頻率點都得到了很大改善。

5結語

隨著微處理器和數字化控制技術理論的飛速發展，逆變電源的智能化控制系統也日趨成熟和先進，已取代了傳統的模擬調制、模擬控制方式，這都有助于逆變電源輸出性能的穩態精度、動態特性及系統可靠性的進一步提高。本文對逆變電路的總體拓撲結構及硬件參數的選擇、調制方式的類型、單片機輸出調制波方式以及控制方式方法進行了詳細的設計與分析，目的為了輸出穩定的220V/50Hz的交流電壓信號。并通過EMC實驗，對電磁兼容測試進行有效性和可行性分析，給出了該逆變電源電磁兼容的整改思路，完善了本文研究的意義。

參考文獻

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作者簡介：孔強強（1985—）男，山東鄒城人，工程師，研究生學歷，主要從事安規與電磁兼容檢測、設計和對策研究等工作。

宋慶軍（1964—）男，山東濟寧人，高級工程師，主要從事電子電器產品的檢測、計量和對策等研究工作。

程承（1986—）女，山東濟寧人，工程師，研究生學歷，主要從事安規與電磁兼容檢測、設計和對策研究等工作。

聯系方式：工作單位：濟寧國家半導體及顯示產品質量監督檢驗中心

通訊地址：山東省濟寧市高新區產學研基地C2樓（圣都國際會議中心東臨）