摘要：本文介紹了一套逆變電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該逆變電源采用高性能AVR單片機(jī)為核心控制芯片，對(duì)逆變電源系統(tǒng)中的各硬件電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并結(jié)合模糊自適應(yīng)控制和數(shù)字PI控制各自的優(yōu)點(diǎn)，給出一套基于模糊自適應(yīng)整定PI控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)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(shè)備對(duì)此電源的EMC情況進(jìn)行了測試分析。

關(guān)鍵詞：逆變電源；AVR；模糊自適應(yīng)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(xiàn)代工業(yè)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電源應(yīng)用面已越來越廣泛，其工作的穩(wěn)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(tǒng)的性能和使用領(lǐng)域。而隨著電力電子技術(shù)和控制理論技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的單獨(dú)采用SPWM調(diào)制方式已無法滿足高性能逆變電源的高穩(wěn)態(tài)精度輸出。因此，本文探討研究了一套逆變電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用了高性能的ATmega系列AVR單片機(jī)為核心控制芯片，對(duì)逆變電源系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并著重研究了閉環(huán)反饋系統(tǒng)中模糊自適應(yīng)整定PI的控制算法，為了使逆變系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，在系統(tǒng)中引入雙閉環(huán)控制，通過對(duì)輸出電壓電流反饋與參考信號(hào)比較控制波形穩(wěn)定輸出，從而提高單相逆變電源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。最后按GB17743-2007《電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限制和測量方法》進(jìn)行EMC測試，并對(duì)電磁兼容整改措施的有效性和可行性進(jìn)行了分析。

總體方案設(shè)計(jì)

逆變主電路系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

針對(duì)逆變電源中高功率輸入、電氣需隔離等要求，本文設(shè)計(jì)了隔離變壓器電路結(jié)構(gòu)作為DC/DC環(huán)節(jié)主結(jié)構(gòu)。由于需要降低干擾，主系統(tǒng)均采用了外部同步電路。其逆變主電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用DC/DC級(jí)推挽升壓和DC/AC級(jí)全橋逆變的二級(jí)總結(jié)構(gòu)，同時(shí)DC/DC級(jí)升壓電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由PWM控制芯片輸出、DC/AC級(jí)逆變電路由高性能微處理器輸出，目的為了有效控制系統(tǒng)的體積質(zhì)量，同時(shí)避免了工頻變壓器的使用，提高了逆變系統(tǒng)的工作效率。其主電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

                                                                              圖1逆變主電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

                                                                    Fig.1Invertermaincircuitsystemblockdiagram

2.2高性能逆變控制器AVR單片機(jī)介紹

AVR系列單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)控制、現(xiàn)代通信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、GPS等IT領(lǐng)域，有很高的性價(jià)比，集AD、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、PWM波形發(fā)生器、EEROM、閃存、RAM等于一體，功能很強(qiáng)，需要的外圍電路少，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代純正弦波逆變器產(chǎn)品中。

ATmega16L單片機(jī)采用了增強(qiáng)性的AVRRISC結(jié)構(gòu)，具有低功耗、高性能的8位CMOS微控制器。其內(nèi)具有先進(jìn)的指令集還有單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，加快了CPU的運(yùn)行速度，ATmega16L的數(shù)據(jù)吞吐率可高達(dá)1MIPS/MHz，因此可以極好的處理系統(tǒng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

DC/AC級(jí)的設(shè)計(jì)

DC/AC逆變級(jí)是整個(gè)逆變電源系統(tǒng)的重要核心部分，將輸入升壓整流后的高幅值直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20V交流電壓。DC/AC逆變電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

                                                                          圖3DC/AC逆變電路結(jié)構(gòu)圖

                                                                   Fig.3DC/ACinvertercircuitdiagram

逆變電路的設(shè)計(jì)采用了4個(gè)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(jí)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(gè)MOSFET管的驅(qū)動(dòng)來自于ATmega16L單片機(jī)產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的SPWM信號(hào)。其中，由于Q1、Q4接入一路SPWM信號(hào)，Q2、Q3接入另一路SPWM信號(hào)，因此Q1和Q3通斷互補(bǔ)，Q2和Q4通斷也互補(bǔ)。當(dāng)Q1、Q4導(dǎo)通時(shí)，VCC接入負(fù)載的“+”端；當(dāng)Q2、Q3導(dǎo)通時(shí)，VCC接入負(fù)載的“-”端，最后通過濾波就可得到交變電壓信號(hào)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(yīng)管FDP18N50，其漏極源極擊穿極限電壓為500V，典型導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間為405ns、最大時(shí)間為1040ns，因此正適用于此全橋電路，有效的保證了系統(tǒng)的安全性。

驅(qū)動(dòng)電路在DC/AC逆變電路中主要功能是把單片機(jī)所產(chǎn)生的低功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大，進(jìn)而推動(dòng)MOSFET管的正常工作，同時(shí)還能使單片機(jī)與高壓逆變電路電氣隔離。本設(shè)計(jì)采用了IR2110作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)芯片，IR2110由于采用了高集成電平轉(zhuǎn)化技術(shù)，因而極大減小了逆變電路對(duì)于開關(guān)器件的要求限制，而IR2110組合驅(qū)動(dòng)電路的上管器件具有外部自舉電容，這樣就大大簡化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。其驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

                                                                    圖4IR2110驅(qū)動(dòng)電路圖

                                                              Fig.4IR2110drivercircuitdiagram

推挽電路的設(shè)計(jì)

DC/DC直流升壓級(jí)采用推挽式電路，其工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單可靠使用方便靈活。推挽式電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

                                                                  圖5推挽式電路結(jié)構(gòu)圖

                                                             Fig.5Push-pullcircuitdiagram

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

3.3PWM控制電路的設(shè)計(jì)

PWM控制電路的設(shè)計(jì)如圖6所示。其中開關(guān)管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)由SG3525控制電路產(chǎn)生。SG3525的輸出端11、14引腳產(chǎn)生兩路相位互補(bǔ)、占空比為45%的PWM方波信號(hào)來控制兩個(gè)IXFH50N80的輪流導(dǎo)通，其輸出信號(hào)頻率可通過調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)圖

                                                            Fig.6PWMcontrolcircuitdesign

3.4模糊自適應(yīng)整定PI控制器的設(shè)計(jì)

逆變電源的控制系統(tǒng)通常可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，為了使逆變系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，在系統(tǒng)中引入雙閉環(huán)控制，通過對(duì)輸出電壓電流反饋與參考信號(hào)比較控制波形穩(wěn)定輸出，從而提高單相逆變電源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。運(yùn)用模糊的基本理論，把規(guī)則的條件、操作的方法用模糊集一一表示，同時(shí)再應(yīng)用模糊推理，就可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PI參數(shù)的最優(yōu)控制，即實(shí)現(xiàn)模糊自適應(yīng)整定PI控制。

模糊自適應(yīng)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(gè)時(shí)刻的e和ec對(duì)PI參數(shù)在線自整定的要求。對(duì)PI參數(shù)在線進(jìn)行修改利用的是模糊邏輯控制規(guī)則，這便構(gòu)成了自適應(yīng)整定模糊PI控制器的基本結(jié)構(gòu)。PI參數(shù)模糊自適應(yīng)整定的關(guān)鍵是要找出兩個(gè)PI參數(shù)與誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在整定運(yùn)行中不斷檢測誤差e和誤差變化率ec，對(duì)兩個(gè)P、I參數(shù)利用模糊控制原理在線進(jìn)行修改來滿足在不同的e和ec輸入時(shí)對(duì)被控對(duì)象參數(shù)的不同要求，進(jìn)而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性。其逆變等效電路的設(shè)計(jì)如圖7所示。

                                                                               圖7逆變等效電路設(shè)計(jì)框圖

                                                                 Fig.7Inverterequivalentcircuitdesigndiagram

其中，電壓外環(huán)控制采用模糊自適應(yīng)整定的PI控制，電壓外環(huán)控制的任務(wù)是維持輸出電壓的穩(wěn)定，而輸出電壓只要不產(chǎn)生較大的波動(dòng)能穩(wěn)定在給定值信號(hào)附近較小范圍內(nèi)就可達(dá)到目的。

3.5模糊自適應(yīng)整定PI控制電壓外環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)

與模糊控制器的控制規(guī)則相同，模糊自適應(yīng)整定PI控制規(guī)則是其核心部分，需要通過學(xué)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)出一套人工控制規(guī)則策略。模糊自適應(yīng)整定PI控制系統(tǒng)通過模糊推理對(duì)輸入量模糊化、查表、解模糊處理，實(shí)施對(duì)PI參數(shù)的自適應(yīng)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(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。任一電磁干擾的發(fā)生必須具備3個(gè)要素：干擾源、傳輸途徑和敏感設(shè)備。很多電子設(shè)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(nèi)部連接導(dǎo)線和機(jī)械結(jié)構(gòu)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(shè)備，并確定儀器可靠接地。調(diào)試中對(duì)線路板進(jìn)行了調(diào)整，改變共模電感和安規(guī)電容的布線位置，提高共模電感的電感值。測試數(shù)據(jù)如圖9所示。測試頻率范圍從9kHz到30MHz，紅色線為標(biāo)準(zhǔn)線，當(dāng)綠色波形位于紅色線1以下，且藍(lán)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(jié)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(jié)果超標(biāo)比較嚴(yán)重，尤其是在0.1MHz-1MHz的頻段，最大超標(biāo)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(dǎo)致在0.1MHz-1MHz的頻段測試曲線超過限制，所以應(yīng)該考慮如何對(duì)差模干擾進(jìn)行降噪；另外驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部存在高頻干擾源、內(nèi)部線纜過長或電路板接地不良等也是造成限制超標(biāo)的原因，所以需要檢查樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路板走線，才能給出相應(yīng)的解決措施。

對(duì)樣機(jī)內(nèi)部的每條走線進(jìn)行梳理，依據(jù)的原則為：輸入線與輸出線盡量分離；高頻信號(hào)線和低頻信號(hào)線盡量分離，還應(yīng)注意軟開關(guān)技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用，印刷電路板布線的電磁兼容設(shè)計(jì)等。在采取了上述措施之后，重測電源端子騷擾電壓，測試結(jié)果如圖10所示。

                                                           圖10電源端子騷擾電壓重測結(jié)果

                                   Fig.10Re-testresultofpowerterminalconductivedisturbancevoltage

從重測結(jié)果可以看出，采取的措施起到了一定的效果，對(duì)差模干擾進(jìn)行了降噪，之前超標(biāo)的頻率點(diǎn)都得到了很大改善。

5結(jié)語

隨著微處理器和數(shù)字化控制技術(shù)理論的飛速發(fā)展，逆變電源的智能化控制系統(tǒng)也日趨成熟和先進(jìn)，已取代了傳統(tǒng)的模擬調(diào)制、模擬控制方式，這都有助于逆變電源輸出性能的穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)特性及系統(tǒng)可靠性的進(jìn)一步提高。本文對(duì)逆變電路的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及硬件參數(shù)的選擇、調(diào)制方式的類型、單片機(jī)輸出調(diào)制波方式以及控制方式方法進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與分析，目的為了輸出穩(wěn)定的220V/50Hz的交流電壓信號(hào)。并通過EMC實(shí)驗(yàn)，對(duì)電磁兼容測試進(jìn)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。

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作者簡介：孔強(qiáng)強(qiáng)（1985—）男，山東鄒城人，工程師，研究生學(xué)歷，主要從事安規(guī)與電磁兼容檢測、設(shè)計(jì)和對(duì)策研究等工作。

宋慶軍（1964—）男，山東濟(jì)寧人，高級(jí)工程師，主要從事電子電器產(chǎn)品的檢測、計(jì)量和對(duì)策等研究工作。

程承（1986—）女，山東濟(jì)寧人，工程師，研究生學(xué)歷，主要從事安規(guī)與電磁兼容檢測、設(shè)計(jì)和對(duì)策研究等工作。

聯(lián)系方式：工作單位：濟(jì)寧國家半導(dǎo)體及顯示產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心

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日期：3.29