基于MSP430F6638的單相正弦波逆變系統(tǒng)設計

陳小橋, 陳 慧, 張 令, 李 俊

(武漢大學 電子信息學院, 湖北 武漢 430072)

儀器設備研制與應用

基于MSP430F6638的單相正弦波逆變系統(tǒng)設計

陳小橋, 陳 慧, 張 令, 李 俊

(武漢大學 電子信息學院, 湖北 武漢 430072)

基于單相逆變電源在民用、工業(yè)領域的重要作用,設計了一種單相正弦波逆變電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用超低功耗單片機MSP430F6638為控制核心,利用MSP430G2553產生的PWM信號驅動Boost升壓電路,通過PID調節(jié)使Boost輸出端為額定電壓值；FPGA芯片CycloneII產生SPWM信號驅動DC—AC全橋逆變電路,同時產生驅動AD芯片的信號,將采樣得到的數據傳送給MSP430F6638進行PID控制；通過鍵盤鍵入頻率值,實現可變頻的正弦波交流電壓輸出。實驗結果表明,該系統(tǒng)功耗低,精度高,穩(wěn)定性好,能滿足實用要求。

MSP430F6638； PID控制； SPWM調制； CycloneII

隨著現代電子電力技術的迅猛發(fā)展,單相逆變電源的應用越來越廣泛[1]。作為一種能將直流電轉化為正弦交流電輸出的電源系統(tǒng),可用于船舶、車載、戰(zhàn)機、導彈、飛船等各種大型設備[2]中，具有低功耗、高精度和穩(wěn)定性好等特點的單相逆變電源系統(tǒng)對于設備的正常工作必不可少。本系統(tǒng)采用美國Texas Instruments公司生產的超低功耗單片機MSP430F6638作為控制核心,利用MSP430G2553產生可進行PID調節(jié)的PWM波驅動Boost升壓電路,同時采用美國Altera公司生產的FPGA芯片CycloneII產生SPWM驅動逆變電路,實現可變頻的正弦波交流電輸出。

1 原理介紹

1.1 Boost電路中電感值分析與計算

Boost電路是一種開關直流升壓電路。在Boost拓撲結構中,主要由開關管、電感、電容和二極管構成,如圖1所示。Boost電路通過開關管的導通和斷開而工作。當開關管導通時,能量通過開關從直流源輸入到電感中而不傳遞到輸出端,此時的電感起儲存能量的作用,如圖2所示；當開關管斷開時,電感存儲的能量通過二極管傳遞給輸出端,同時直流源也給負載提供能量,使得輸出電壓得以抬升,如圖3所示[3-4]。

圖1 Boost拓撲結構圖

圖2 開關管導通時的等效結構圖

圖3 開關管斷開時的等效結構圖

1.2 PID控制原理

PID控制又稱為比例-積分-微分控制,是在工業(yè)過程控制中最常見的調節(jié)控制器[5-6]。PID控制的原理圖如圖4所示。其中r(t)為系統(tǒng)給定值,c(t)為實際輸出,u(t)為控制量。

圖4 PID控制結構框圖

PID控制器的數學表達式為

(1)

其中:e(t)為系統(tǒng)偏差,e(t)=r(t)-c(t)；Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。比例控制能迅速產生與誤差成正比的調節(jié)作用,從而減少穩(wěn)態(tài)誤差；但是,比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制主要用于消除誤差。微分控制可以根據誤差變化的速度,提前給出較大的調節(jié)作用。本系統(tǒng)采用PID控制輸出交流電壓為額定值。

1.3SPWM調制原理

SPWM波(SinusoidalPWM)是脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波。SPWM有模擬調制和數字調制兩種調制方式[7-8]。在模擬調制中,單極性倍頻調制方式輸出波形完美,對各種負載的適應性好,其原理如圖5所示。用調制基波和三角載波的幅值A作比較,幅值高時輸出高電平,反之則輸出低電平,從而形成SPWM波。

圖5 SPWM單極性倍頻調制

DC—AC全橋逆變電路由4個開關管(圖11中的Q1、Q2、Q3、Q4)控制。各個開關管的控制波形如圖6—圖9所示,4個開關管在不同的SPWM波控制下,交替導通,通過濾波電路后,實現逆變電源正弦波輸出。

圖6 控制開關管Q1的SPWM

圖7 控制開關管Q2的SPWM

圖8 控制開關管Q3的SPWM

圖9 控制開關管Q4的SPWM

隨著微處理器的普及,SPWM數字化的控制方法得到了廣泛的應用。其中,等面積查表法尤其適用于單片機等微處理器中。本系統(tǒng)利用CycloneII內建2個10位三角波與正弦波ROM,通過比較產生SPWM波形,再對波形進行反向、加入死區(qū)控制等后續(xù)處理后形成四路10位分辨率的SPWM波對全橋的4個開關管進行控制從而實現所需功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 整體設計

系統(tǒng)整體電路框圖如圖10所示,系統(tǒng)以恒壓直流電源作為輸入電源,MSP430G2553通過對輸入端電壓采樣實現欠壓、過壓保護,通過對Boost升壓電路輸出端電壓采樣并對數據進行PID調節(jié)使輸出電壓穩(wěn)定。CycloneII將AD采樣電路得到的數據傳送給MSP430F6638進行處理,并通過PID算法,調節(jié)FPGA的SPWM波輸出,從而使輸出端輸出穩(wěn)定的交流電壓。MSP430F6638對采樣得到的電流、電壓數據進行處理,當采樣電流值超過規(guī)定值時關閉SPWM輸出實現過流保護,然后每隔一段時間對輸出試探實現自恢復,同時實現人機交互界面,實時顯示輸出電壓電流以及系統(tǒng)的工作狀態(tài),并且可通過鍵盤設定輸出交流電壓的頻率在20～100 Hz范圍內可調。

圖10 系統(tǒng)整體電路框圖

2.2 單片機最小系統(tǒng)模塊

作為本系統(tǒng)的控制核心,MSP430F668具有非常優(yōu)良的特性。MSP430F6638是美國Texas Instruments公司生產的具有業(yè)界最低功耗的單片機系列。它具有7種低功耗模式,且可在3 μs內從待機模式快速喚醒；具有16位精簡指令集(RISC)架構、擴展內存和高達200 MHz的時鐘；具有高達160段對比度控制的集成LCD驅動器,可實現很好的人機交互；具有多功能復用的接口,可減少端口數量的使用；采用C語言編程靈活方便,功能強大[9]。所以本系統(tǒng)采用該芯片作為控制核心,將MSP430F6638的P3和P4口與CycloneII的數據接口相連實現數據的傳輸,將P9口與CycloneII的地址接口相連實現地址的交換。MSP430F6638通過對接口數據的處理從而起到了控制核心的作用。

2.3 Boost升壓及DC—AC全橋逆變模塊

Boost升壓電路中的開關管在工作的時候由于頻繁的導通和斷開,會引起電路中電流波動,為了能夠有效濾除開關紋波,需要很大的電解電容[10-12]。同時,由于電路中包含豐富的寄生電容和寄生電感,對于這類高頻毛刺電解電容無能為力,但是瓷片電容的ESR很小,高頻特性也很好,因此在Boost電路輸出端同時并聯幾個瓷片電容,對高頻毛刺有很好的濾波效果。

在DC—AC全橋逆變電路(見圖11)中采用MOSFET管IRF540N作為開關管,CycloneII輸出4路帶有死區(qū)時間的SPWM波,通過驅動芯片IRS21867驅動開關管,將輸出信號進行濾波、將諧波濾除,即可實現全橋逆變輸出交流電壓。

2.4 AD采樣電路

為了對系統(tǒng)輸出端輸出的大電流和大電壓進行數據分析和處理,需要進行AD采樣,但是一般的AD芯片采樣電壓均較小,故需要先對輸出電流、電壓進行分流和分壓然后進行AD采樣。本系統(tǒng)使用電流互感器TA1013-12和電壓互感器TV1013-1H完成降流、降壓的功能,電路見圖12。經過互感器后的電壓、電流再通過級聯的濾波器和放大器,得到合適的電壓、電流值。將這些信號傳遞給ADS8361進行電壓和電流采樣,并將采樣的數據傳給CycloneII,進而送入MSP430F6638進行數據分析處理,通過PID調節(jié),實現可調頻交流正弦波輸出。ADS8361采樣電路見圖13。

2.5 輔助電源

本系統(tǒng)需要對芯片及單片機進行供電,故設計了8、5、3.3 V和±12 V穩(wěn)壓輸出的輔助電路。線性穩(wěn)壓電源噪聲小、精度高[13],但其效率低,僅有30%～40%；而開關電源效率高,可達90%以上,但是其紋波大,開關噪聲也較大。考慮到系統(tǒng)整體效率要求和精度要求,本系統(tǒng)采用線性穩(wěn)壓電源和開關電源相結合的方案。

圖11 升壓及DC—AC全橋逆變電路

圖12 電流電壓互感器電路

圖13 ADS8361采樣電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)主程序流程圖見圖14。

圖14 系統(tǒng)主程序流程圖

首先,系統(tǒng)經過硬件初始化之后進入就緒狀態(tài),隨后初始化系統(tǒng)的各項關鍵參數,然后加載本系統(tǒng)執(zhí)行編寫的一個文本選單(菜單)系統(tǒng),在屏幕上予以顯示。同時系統(tǒng)在后臺注冊一個多任務操作系統(tǒng),注冊指示燈、屏幕刷新、輸出電壓穩(wěn)壓控制、輸出過流保護、輸入電壓保護等關鍵任務,并在后臺不間斷運行。最后,系統(tǒng)利用中斷檢測按鍵事件,對相應的操作作出響應。

3.2 系統(tǒng)主程序功能子函數

系統(tǒng)主程序子函數功能如下:

SysCtrlInit():系統(tǒng)硬件初始化函數； BUS_Init():總線初始化函數； Lcd_Init():顯示屏初始化函數； ioInit():芯片引腳初始化函數； paraInit():系統(tǒng)運行參數初始化函數； pidInit(&pid):PID初始化； pidParaInit():PID參數預設置； registerSingleView(mainView):注冊文本菜單界面； setMainView():設置文本菜單項； flashMainFrame(mainView):刷新界面框架； registerKeyListener():注冊按鍵監(jiān)聽服務； TSK_Init():多任務操作系統(tǒng)初始化； register_TSK(breathLight,4):注冊指示燈任務； register_TSK(flashView,3):注冊界面刷新任務；

register_TSK(voltControl,2):注冊輸出恒壓任務； register_TSK(out_I_pro,1):注冊輸出過流保護任務； register_TSK(inputVoltDetec,0):注冊輸入電壓保護任務； TSK_SW():多任務刷新函數。

4 結束語

本文以電子信息學院專業(yè)特色為出發(fā)點,設計了一套基于MSP430F6638和FPGA芯片CycloneII為控制核心的集開關電源、全橋逆變等為一體的單相逆變系統(tǒng)。介紹了PID控制、SPWM調制原理、系統(tǒng)的整體結構以及各個模塊的設計,該系統(tǒng)通過仔細調制后取得了良好的效果。本設計難點是PID控制、SPWM調制、MSP430F6638與FPGA進行數據交換的控制,以及電路中各種去噪和減少能量消耗的措施。經測試表明,該系統(tǒng)功耗低,精度高,穩(wěn)定性好,能滿足實用要求。

References)

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Design of single phase sine wave inverter system based on MSP430F6638

Chen Xiaoqiao, Chen Hui, Zhang Ling, Li Jun

(Electronic Information College,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

Based on the importance of the single phase inverter system in the civil and industrial areas,the single phase sine wave inverter system is designed.The system uses the ultra-low power MSP430F6638 microcontroler as the control core,it uses MSP430G2553 which can generate PWM to drive the Boost circuit.The use of PID Control achieves the rated voltage value. The system also uses CycloneII to generate SPWM to drive DC—AC full-bridge inverting circuit,at the same time,CycloneII generates signals to drive AD to transmit data to MSP430F6638 which can use PID Control.By typing the frequency value via the keyboard,the system can achieve a variable frequency sine wave AC voltage output.The experimental result indicates that this system has low power consumption,high precision and reliable steadiness, and the system can easily meet the practical requirements.

MSP430F6638; PID Control; SPWM Control; CycloneII

2015- 01- 23

湖北省實驗教學改革項目“以課程改革為抓手,探索高素質人才培養(yǎng)模式”(JG201222)

陳小橋(1960—),男,湖北武漢,碩士,教授級高級工程師,研究方向為檢測技術及自動化.

E-mail：CXQ@whu.edu.cn

TM464

A

1002-4956(2015)7- 0075- 05