基于单片机控制的精密交流步进电源

2015-12-11傅元张钦丁振宇

仪器仪表用户 2015年1期

傅元，张钦，丁振宇

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870）

0 引言

随着电力电子技术地持续发展，电源技术在现代工业生产中是不可或缺的重要组成部分，为了实现负载和系统的高效运行，对电源的设计和制造要求也越来越高。现今程控直流稳压电源的研究已然相对成熟，而工业测量中所需的高精度交流电源却甚少。本文设计并实现一种基于单片机控制的精密交流步进电源。设计程序使单片机产生PWM脉冲波，应用功率/电能计量芯片CS5460进行AD采样，不断对电源的输出电压和输出电流进行检查，并与设定值相比较，根据差值控制调节单片机

输出PWM脉冲波的占空比，从而控制电源功率MOS管的导通和关断时间[1]，再利用SPWM全桥技术，调制每个周期的基波与若干个载波，并产生正弦化脉冲序列，其有效相位区间满足按正弦函数值定位，集合成幅度相等、宽度不等，相应区间的面积等同于正弦波且对应正弦量正负半周的脉冲序列。经过互锁隔离电路、双路调制或单路分相处理及放大，控制驱动功率开关器件运行，最终得到正弦波，实现交流电压范围0.1-220V，步进电压50mV的电源输出。该电源具有高精度、使用方便、功耗低、稳定范围宽、可靠性高等优点。

1 电源硬件系统

电源系统由主电源电路和单片机控制电路两大部分组成：主电路由典型Top-Switch单端反激电路高频变压器及功率开关MOS管组成，实现了DC-DC升压变换。控制电路是利用单片机软件编程产生PWM脉冲信号，通过芯片CS5460进行AD采样不断检测电源的输出电压和输出电流，并与设定值相比较，根据差值控制调节单片机输出PWM脉冲波的占空比，从而控制电源功率MOS管的导通和关断时间，实现降压，再根据程序设置改变SPWM信号的输出状态，通过逆变器达到将直流电压转换成交流步进电压的目的。

图1 DC-DC升压变换原理图Fig.1 Schematic diagram of DC-DC boost converter

图2 DC-AC电源变换原理图Fig.2 DC-AC power supply schematic diagram

图3 降压式PWM原理电路图Fig.3 Buck PWM principle

1.1 DC/DC升压变换电路（见图1）

电网交流220V电压经过电磁干扰滤波器，抑制共模干扰，消除串模干扰，整流滤波后输出低频直流电压，利用控制功率开关管的导通和关闭，调节经过高频变压器升压后输出方波的占空比来稳定输出电压，再进行整流稳压，得到所需的直流电压。设计DC-DC升压变换电路输出的直流电压为340V，通过计算可得出，高频变压器原边与次边的匝数比为36:112。

DC-DC升压电源模块采用PWM控制芯片SG3525进行设计。此芯片是一种功能完整、性能优良、通用性强的单片集成PWM控制芯片。功率开关管的导通与关闭由SG3525芯片输出的两路反向方波所控制[2]。SG3525芯片的性能指标是：输入电压为8～35V可调，输出为5V/lA。SG3525芯片振荡频率由外接的电容和电阻决定，计算公式：振荡器的输出分为两路：一路以时钟脉冲形式输入到双稳态触发器及两个或非门。双稳态触发器交替、互补地输出高低电平，PWM波同时输入两个三极管的基极。另一路以锯齿波的形式输入到比较器的同相输入端，利用锯齿波加入死区时间，保证当一个三极管导通时，另一个三极管不导通，最后输出相位差为180°的脉冲波[3]。把误差放大器输出的电压连接到比较器的反相输入端上，与从振荡器输出的锯齿波进行比较，使输出的方波随着输出电压的高低变化脉冲宽度。

功率开关器件一般采用两种方式：直接驱动和隔离驱动。隔离驱动又分为光耦隔离和电磁隔离两种方式。光耦隔离电路结构简单，体积小，但共模抑制较差，传输速度较慢。电磁隔离的隔离元件是脉冲变压器，其响应速度快，共模抑制强，但体积较大，结构加工复杂，且传输信号会有失真。功率开关管的驱动芯片选择IR2110芯片，包含了光耦隔离以及电磁隔离的优点，其传输响应速度快、体积小、共模抑制强。它是高压、高速PMOSFET的理想驱动芯片，工作频率500kHZ，利用高压侧悬浮驱动的自举原理，减少了驱动电源的数目[4]。

当输出的直流电压发生变化时，用经过分压电阻得到的取样电压与TL431的基准电压进行比较，在TL431芯片的阴极上产生误差电压，使得光耦内部LED的工作电流发生变化，进而改变SG3525芯片的控制端电流大小，调节占空比，从而到达稳压。

1.2 DC-AC电源变换电路（见图2）

直流电压转换交流电压的系统设计以单片机系统电路为核心，兼顾运算能力和控制能力。选用了经济适用的STC12C5410AD芯片，此芯片是一款高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，内部集成MAX810专用复位电路，4路PWM，512字节RAM，12kB程序存储器，6个16位定时器。采用CS5460芯片来检测反馈电压和反馈电流，它是一个包含两个模-数转换器（ADC），高速能量计算功能和一个串行口高速集成的模-数转换器。它可以与低成本的分流器或互感器连接测量电流，也可以与分压电阻或电压互感器连接测量电压。CS5460的特性是有与微控制器通讯的双向串口和与能量成比例的固定带宽的可编程频率输出[5]。

单片机根据AD采样反馈的电压和电流，控制输出PWM脉冲波，在高频PWM脉冲的控制下，以一定的占空比D重复导通和关断转换器中的PWM开关组合，对输入电压进行斩波，形成高频脉冲方波电压，完成调制两次降压。图3是降压型PWM主电路原理电路图。根据电感的伏秒平衡原则可知

图4 系统程序流程图Fig.4 System flow chart

1.3 键盘、显示部分

为了使所设计的试验用电源产品化、商业化，显示部分采用液晶显示屏智能控制。单片机将数据送入到液晶屏进行显示，触摸屏的数据通过串行口输入单片机中。通过显示屏设定电源的输出电压、波形和其相关参数及显示出电源的工作状态等。单片机的供电系统是简单的单端反激式DC-DC电路，由电网220V经过高频变压器、功率开关管、降压稳压管、整流滤波提供单片机所需要的5V电压。

2 电源软件系统

2.1 SPWM技术（见图3）

电源软件系统是由单片机STC12C5A60S2芯片的核心的最小系统控制的，利用SPWM波形来控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内面积相等，通过读取模/数转换电路输出的电压值，实现逆变器输出的幅值和频率可调[6]。

使用查表法得到SPWM的脉冲波，基于三角波与调制波的对称规则进行采样，离线计算每个SPWM波在半个正弦波周期的脉冲宽度，将值存储在单片机的RAM中，完成SPWM脉冲宽度值表。当单片机控制系统工作时，设置程序进行自动查表，根据查表值从单片机的PWM口输出相应宽度的脉冲，模拟脉宽调制法用正弦表设置单片机PCA模块的模拟比较器中的值，然后经过互锁隔离电路得到驱动逆变器开关管工作的脉冲值，经过逆变电路完成将直流电源转变为交流步进电源。