范朋奎，吳靜

（遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧錦州，121001）

隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，汽車逐漸變?yōu)槿藗兂鲂凶钪饕慕煌üぞ?，所以?duì)車載逆變器需求和供電質(zhì)量的要求也越來越高。因此開發(fā)一款高效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的移動(dòng)車載逆變器以方便人們的用電需求，有著重要的實(shí)際意義。本設(shè)計(jì)基于AT89C52單片機(jī)為控制芯片，采用高頻直流升壓和正弦波逆變方法設(shè)計(jì)了一款體積小、可靠性高的隔離式車載逆變器，此車載逆變器除了實(shí)現(xiàn)12V直流電逆變?yōu)?20V/50Hz的逆變功能外還具有過壓、欠壓、過載、過熱等保護(hù)功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的主電路分為前后兩級(jí)，前級(jí)是由推挽電路構(gòu)成的直流升壓電路，后級(jí)為全橋逆變電路。前級(jí)直流升壓電路通過把12V直流電逆變?yōu)楦哳l的方波交流，然后通過高頻變壓器進(jìn)行升壓，經(jīng)過整流和濾波之后穩(wěn)定輸出310V直流電。后級(jí)的全橋逆變電路以AT89C52單片機(jī)為控制芯片，運(yùn)用SPWM控制技術(shù)將直流電逆變交流電，經(jīng)過LC濾波之后輸出穩(wěn)定的220V/50Hz的正弦工頻交流電。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，除了主電路和控制電路外還設(shè)計(jì)了輸入過壓、欠壓保護(hù)和輸出過載保護(hù)等保護(hù)電路。系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 直流升壓電路設(shè)計(jì)

直流升壓電路如圖2所示，推挽電路采用兩個(gè)開關(guān)管進(jìn)行交替導(dǎo)通，把12V直流輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲}沖加在變壓器原邊上，變壓器變比為1∶26，通過二極管和LC濾波之后穩(wěn)定的輸出310V直流電壓?？紤]到變壓器的散熱和體積問題，在此推挽電路逆變的頻率為50kHz。開關(guān)管承受的最大峰值電壓為2Vin，流過開關(guān)管的電流越為15A，所以考慮到要留有一定的安全裕量開關(guān)管額定電壓取50V，額定電流為30A。

高頻變壓器在電路中起著電氣隔離和升壓的作用，根據(jù)最大輸出功率，確定窗口面積Ae為1.7672cm ，變壓器磁芯選擇R2KB1。利用法拉第定律來進(jìn)行確定變壓器初級(jí)繞組匝數(shù)為：

通過變壓器變比可以得出變壓器次級(jí)繞組匝數(shù)為104匝。通過計(jì)算可得變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組線徑為1.8mm和1mm。

圖2 直流升壓電路

2.2 全橋逆變電路設(shè)計(jì)

逆變電路最常使用的為全橋逆變電路，全橋電路由四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成，互為對(duì)角的為一組，兩組開關(guān)管交替導(dǎo)通，將直流電壓轉(zhuǎn)換為電壓幅值為310V的方波交流電壓加在變壓器一次繞組W1上。電路中與開關(guān)管并聯(lián)的二極管起到保護(hù)作用，通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間就可以改變輸出電壓Vo。開關(guān)管承受的峰值電壓均為Vin，考慮到開關(guān)管的選擇要留有一定的裕量，所以選擇開關(guān)管額定電壓為400V。系統(tǒng)輸出的額定電流為0.7A，最大電流為1A，在留有一定安全裕量的情況下，選擇額定電流為4A。在SPWM調(diào)制之后的輸出波形為50Hz的正弦波，為了輸出穩(wěn)定的正弦波需要加入后續(xù)濾波電路。紋波電壓最大可以為?vmax，通過計(jì)算得到濾波電容取82μ F，濾波電感的最小取值為25mH。電路如圖3所示。

圖3 全橋逆變電路

2.3 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路部分包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵電路、顯示電路。AT89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)是使單片機(jī)正常運(yùn)行的最小配置，由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、CPU和電源電路組成。通過時(shí)鐘電路提供的時(shí)鐘脈沖作為運(yùn)行頻率來進(jìn)行工作，復(fù)位電路可以把正常運(yùn)行的程序從初始位置重新開始。本設(shè)計(jì)設(shè)置了三個(gè)按鍵，分別為工作開始鍵、工作暫停鍵、復(fù)位鍵。通過按鍵可以控制逆變使能的進(jìn)行和停止，復(fù)位鍵可以使系統(tǒng)的工作進(jìn)入初始狀態(tài)。顯示部分采用LCD1602作為系統(tǒng)的顯示器件，該顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。目前字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件。電路如圖4所示。

圖4 單片機(jī)控制電路

3 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

4 測(cè)試與焊接調(diào)試結(jié)果

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，主要是根據(jù)系統(tǒng)焊接之后的實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行期間參數(shù)的微調(diào)和控制程序的一些優(yōu)化和調(diào)整。通過系統(tǒng)調(diào)試可以使系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠、穩(wěn)定。本文中的系統(tǒng)調(diào)整主要是對(duì)SPWM控制技術(shù)中一些程序跟延時(shí)的調(diào)整和保護(hù)電路功能的測(cè)試。

主要使用的測(cè)試儀器為示波器和萬用表，對(duì)一些系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量觀察。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物圖

圖7 系統(tǒng)PCB圖

5 結(jié)論

車載逆變器的設(shè)計(jì)全面說明了逆變器的基本結(jié)構(gòu)、控制原理以及系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的基于51單片機(jī)的車載逆變器具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、保護(hù)功能完善等特點(diǎn)。主要實(shí)現(xiàn)了如下功能：

(1)采用AT89C52作為控制核心，加強(qiáng)了對(duì)系統(tǒng)的控制；

(2)具有安全保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的過流保護(hù)、過載保護(hù)等功能；

(3)對(duì)系統(tǒng)主電路和控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；

(4)系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)優(yōu)化提供了便利的條件。

該系統(tǒng)還存在著一些不足，由于設(shè)計(jì)中功耗的原因，實(shí)物的輸出功率可能達(dá)不到任務(wù)中的要求。另外由于時(shí)間和能力方面的限制，本文所設(shè)計(jì)的車載逆變器還有進(jìn)一步改善的方法，使系統(tǒng)具有更好的靈活性和穩(wěn)定性。