易映萍，王曉麗，唐志俊，姚為正

（1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

地鐵列車在運(yùn)行時(shí)為了保證安全性，其窗門(mén)都需要處于密閉狀態(tài)。若列車因發(fā)生電力故障而停留在隧道中，則空調(diào)和排風(fēng)設(shè)備將停止運(yùn)行，如此則會(huì)嚴(yán)重影響乘客的生命安全。此時(shí)需要應(yīng)急車載逆變電源為通風(fēng)設(shè)備提供電力供應(yīng)，使其繼續(xù)正常工作，確保乘客生命安全。本文設(shè)計(jì)的車載逆變電源能夠在列車發(fā)生故障時(shí)為排風(fēng)設(shè)備及時(shí)提供電力供應(yīng)[1]。

1 車載逆變電源的電路結(jié)構(gòu)

如圖1所示為車載逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該逆變電源主要由升壓電路、逆變電路和濾波電路構(gòu)成。其輸入為蓄電池提供的直流110 V，經(jīng)Boost升壓后直流電壓穩(wěn)定在400 V，再由單片機(jī)87C196MH輸出六路互補(bǔ)SPWM信號(hào)為IPM提供驅(qū)動(dòng)脈沖，將400 V直流電源逆變?yōu)槿?30 V、50 Hz的交流電源，實(shí)現(xiàn)為機(jī)車電力設(shè)備供電。

2 控制電路工作原理

如圖2所示為電源控制電路結(jié)構(gòu)，車載逆變電源主控芯片為Intel單片機(jī)87C196MH，其片內(nèi)六路PWM發(fā)生器適合應(yīng)用于電機(jī)控制和變頻器控制等場(chǎng)合[2]。在主控電路中，單片機(jī)除了輸出六路互補(bǔ)SPWM為IPM提供驅(qū)動(dòng)脈沖外，還具有輸入電壓過(guò)欠壓保護(hù)、輸入過(guò)流保護(hù)和輸出電壓缺相保護(hù)等功能。

圖1 車載逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 主控電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)單片機(jī)上電啟動(dòng)后首先經(jīng)歷一個(gè)軟啟動(dòng)過(guò)程，該過(guò)程中單片機(jī)主要完成檢測(cè)輸入電壓過(guò)欠壓、輸入電流過(guò)流和IPM電流過(guò)流故障。若無(wú)故障，則單片機(jī)根據(jù)輸出電壓反饋值調(diào)整SPWM的載波頻率和調(diào)制比，使輸出電壓穩(wěn)定在線電壓230 V 50 Hz。

當(dāng)輸出電壓穩(wěn)定后，單片機(jī)啟動(dòng)缺相保護(hù)，檢測(cè)輸出電壓是否跌落。如果發(fā)生缺相故障，單片機(jī)將停止輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，并且點(diǎn)亮軟件故障指示燈。同時(shí)，當(dāng)逆變電路正常工作的同時(shí)，單片機(jī)繼續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)其他故障情況，一旦發(fā)生故障將停止輸出SPWM信號(hào)并點(diǎn)亮故障指示燈，進(jìn)入軟件保護(hù)狀態(tài)。這樣保證了逆變電源工作在安全狀態(tài)。

3 車載逆變電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示為車載逆變電源控制系統(tǒng)原理圖，單片機(jī)通過(guò)地址總線和數(shù)據(jù)總線分別控制片外EPROM和鎖存器，其中8位數(shù)據(jù)總線和14位地址總線的低8位分時(shí)復(fù)用。EPROM存放單片機(jī)程序，當(dāng)單片機(jī)上電后將運(yùn)行EPROM中的程序[3]。鎖存器起到數(shù)據(jù)暫存作用，當(dāng)讀取EPROM某個(gè)地址中的程序時(shí)，先由單片機(jī)對(duì)EPROM進(jìn)行地址操作，然后通過(guò)鎖存器暫存地址總線的低8位，此時(shí)它們作為8位數(shù)據(jù)總線將選定地址中的程序送入單片機(jī)去執(zhí)行。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

在控制系統(tǒng)中，單片機(jī)第46～48引腳對(duì)輸出三相電壓進(jìn)行采樣，第40引腳為外部參考電壓輸入，第62引腳為故障信號(hào)輸入，第30～35引腳為PWM輸出，第12～16引腳為高6位地址總線，第17～24引腳為低8位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線的復(fù)用總線。

單片機(jī)對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)故障信號(hào)。同時(shí)根據(jù)輸出電壓的反饋量調(diào)整SPWM的調(diào)制比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

如圖4所示為驅(qū)動(dòng)電路，該電路的作用就是把單片機(jī)輸出的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離并適當(dāng)放大，然后送到IPM模塊的相應(yīng)管腳，再去控制IPM內(nèi)部IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷。光耦主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)主電路和控制電路之間的信號(hào)連接，滿足主電路和控制電路之間的電氣隔離。本設(shè)計(jì)中選用HP公司的光耦HCPL-4503。該芯片有效地起到信號(hào)隔離和電壓放大作用，完成驅(qū)動(dòng)IPM的目的。

3.3 輸出電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

如圖5所示為輸出電壓檢測(cè)電路，主控電路需要檢測(cè)輸出電壓作為反饋量，根據(jù)其調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。

本文采用電流型電壓互感器，互感器副級(jí)電壓通過(guò)二極管整流、電容濾波和齊納二極管保護(hù)后，由單片機(jī)片內(nèi)AD對(duì)其進(jìn)行采樣。將采樣值與給定值進(jìn)行比較，對(duì)誤差量做PI調(diào)節(jié)，使輸出電壓穩(wěn)定在給定值附近。

3.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

（1）故障指示電路

如圖6所示為故障指示電路，其中U204A～U204D為74LS00內(nèi)部四路與非門(mén)。U204B和U204C構(gòu)成一個(gè)RS觸發(fā)器，其中引腳9為S引腳10為R。

圖6 軟件保護(hù)電路

單片機(jī)初始化時(shí)，由CPU-64輸出高電平，則U204B引腳5為低電平，因此U204B輸出高電平。同時(shí)U204C輸入引腳10初始為高電平，從而其輸出低電平。所以U204D輸出高電平，使硬件故障指示燈LD201熄滅，表明無(wú)硬件故障。

該電路中U204C輸入引腳10為硬件故障信號(hào)輸入腳，當(dāng)發(fā)生硬件故障時(shí)該引腳上電平為低電平，最終導(dǎo)致硬件故障指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)向CPU-62輸出高電平，單片機(jī)響應(yīng)故障報(bào)警立即停止輸出SPWM驅(qū)動(dòng)波形。

（2）輸入過(guò)流保護(hù)

如圖7所示為輸入過(guò)流保護(hù)電路，當(dāng)發(fā)生過(guò)流故障時(shí)比較器輸出低電平信號(hào)，該信號(hào)送至故障指示電路的RS觸發(fā)器，使故障指示燈點(diǎn)亮，單片機(jī)停止輸出SPWM信號(hào)。

（3）IPM過(guò)流保護(hù)電路

圖7 輸入過(guò)流保護(hù)電路

圖8 IPM過(guò)流保護(hù)電路

如圖8所示為IPM過(guò)流保護(hù)電路，本文所采用的IPM模塊為IM14400，模塊自帶電流檢測(cè)功能[4]。電流信號(hào)經(jīng)光耦送至比較器負(fù)向輸入端。當(dāng)IPM過(guò)流時(shí)，將輸出低電平信號(hào)給光耦，此時(shí)比較器輸出低電平信號(hào)，令RS觸發(fā)器復(fù)位點(diǎn)亮故障指示燈,單片機(jī)停止輸出SPWM信號(hào)。

（4）輸入欠壓保護(hù)電路

如圖9所示為輸入欠壓保護(hù)電路，P2-1引腳1為高電平，當(dāng)發(fā)生輸入欠壓故障時(shí)，P2-1引腳2為低電平，經(jīng)光耦向CPU-54傳遞一個(gè)低電平信號(hào)。觸發(fā)欠壓保護(hù)后單片機(jī)停止輸出SPWM信號(hào)，并點(diǎn)亮故障指示燈。

圖9 輸入欠壓保護(hù)電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)控制策略的正確性，對(duì)本文所研制的車載逆變電源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。車載逆變電源帶阻性負(fù)載，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸入電壓90～120 VDC；輸出電壓穩(wěn)定在50 Hz的三相230 V；開(kāi)關(guān)頻率3 kHz；最小輸出功率為880 W；輸入額定功率為1000 W。如圖10所示為IPM上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。由于單片機(jī)輸出的SPWM信號(hào)經(jīng)光耦后反相，因此單片機(jī)輸出的兩路互補(bǔ)SPWM信號(hào)同為高電平時(shí)為死區(qū)時(shí)間。由圖10可見(jiàn)，死區(qū)時(shí)間為15 μs，與程序中設(shè)定相符，能夠有效地防止上下橋臂直通。

圖11 主控電路輸入和輸出電壓波形

如圖11所示為Boost升壓后波形和輸出電壓波形。實(shí)驗(yàn)中采用了1∶1000高壓差分探頭，其中CH2為Boost升壓后的直流電壓波形，CH1為輸出電壓波形。由圖11可見(jiàn)輸出電壓頻率為49.70 Hz、有效值為229 V。當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí)，逆變電源的輸出電壓都能有效地穩(wěn)定在交流230 V50 Hz，且諧波含量較小。

5 結(jié)論

本文利用Intel高性能單片機(jī)87C196MH設(shè)計(jì)了一套符合地鐵列車應(yīng)急需求的車載逆變電源，采用IPM模塊有效減小了系統(tǒng)體積。使用單片機(jī)波形發(fā)生單元輸出六路SPWM作為IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，提高了系統(tǒng)的性能。并通過(guò)硬件和軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓和電流，保證逆變電源安全工作。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)控制方案簡(jiǎn)單、高效、可靠，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

[1]曲泰元，邱瑞昌.5KVA機(jī)車空調(diào)電源的設(shè)計(jì)與研究[J].測(cè)試技術(shù)，2007，10：12-15.

[2]陳丹，吳勝華，曹立威，等.80C196MC單片機(jī)波形發(fā)生器原理及其在逆變電源中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002，5：2-26.

[3]張紅蓮.基于80C196MC的逆變電源設(shè)計(jì)[J].逆變電源，2008，8：54-56.

[4]李健鳴，賀文.110V IPM高頻開(kāi)關(guān)電源的研制[J].機(jī)車電傳動(dòng)，1999，10：8-10.