通过单片机87C196MC控制实现5KVA机车空调电源系统的设计

1 概述

随着铁路运输的发展和工作生活条件的改善，机车乘务人员对工作环境和条件的要求越来越高，为此需对机车司机室安装空调系统。但由于空调机组是三相交流负载，而机车车载电源为DC110V，所以需设计一逆变电源，将DC 110V变换为AC 380v供给空调机组。

考虑到机车运行环境的特殊性，如：震动较大;工作环境温度较高;车门开闭频繁，使得空调机组起停频繁;司机室内电气控制设备和信号设备密集，易与空调电源产生相互的电磁干扰等，因此对其空调电源的抗震性、抗电磁干扰性、运行的安全可靠性等方面提出了更高的要求。根据技术指标要求，在控制电源和辅发输入电压波动±30%的范围内，逆变电源必须为空调提供电压波动在+1 0%/一1 5%，频率波动在±5%以内，额定输出电压相对谐波含量（3 1次以下谐波含量总均方根值与输出总电压均方根值之比）小于5%的三相380V交流电压，且在一25℃～7 0℃之间均能可靠运行。

2 工作原理与硬件结构

由主电路部分和控制部分组成。升压斩波电路由PWM控制器SG3525进行控制，逆变电路以inte1公司的单片机87C196MC为核心进行控制。

2.1 主电路

逆变电源的主电路如图2所示，主要由DC/D C、DC/AC两部分组成。DC 1 1 0V输入电压经CI滤波后送至由Ll、T1、D7组成的升压电路，电压变为DC 540V。由VT 1～V T 6及D 1一D 6组成的逆变电路将此DC 540V电压逆变为三相AC 3 80V。升压斩波电路采用B00 St变换器的拓扑结构，开关管采用I G B T。逆变桥的开关器件采用先进的智能功率模块IPM。IPM是以IGBT为基本功率开关器件，同时内部集成了优化的门极驱动及保护电路的功能模块，其保护功能主要有过流、控制电源欠压和管芯过热等保护。当模块发生故障时，可以根据IPM故障输出端的输出信号，进行故障判断。系统的可靠性得以进一步提高，结构更紧凑。

2.2 升压电路的控制

升压电路采用P W M控制器SG 3 5 2 5进行控制，其外围电路如图3所示。SG3 525是电压型的PWM控制器，即按照反馈电压来调整输出脉宽，内部由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、比较器、PWM锁存器、欠压锁定电路、触发器、或非门、输出级、软启动和关闭电路组成。

电路上电后，振荡器产生幅值在1.2v～3.6v之间的连续三角波送至sG3525芯片内部的PWM比较器，同时产生供T触发器工作的同步方波脉冲。

隔离运放U1（A7408）和运放U2（C40 74G）组成比例积分（PI）调节器，升压电路的输出电压经过此P I调节器得到电压负反馈信号，输入到S G 3 5 2 5内部误差放大器的反相输入端，与同相端的芯片内部产生的基准电压经比较、放大，输出至PWM比较器，与振荡器的三角波比较，输出的方波与内部的T触发器的输出脉冲一起送至芯片内部的或非门，使两个输出驱动管交替导通，产生一路开关控制信号（1 1脚或1 4脚）。开关控制信号的脉宽由电压反馈信号控制，当输出电压高于540V时，经过运算放大器隔离和放大的电压反馈信号增大，由于SG3525的负反馈，使其输出的PWM波脉宽减小，斩波输出电压降低;反之，SG 3 5 2 5输出PWM波脉宽增大，斩波输出电压升高，从而使输出电压维持5 4 0 V的稳定。

由于斩波电路中P W M波的占空比范围约为0～8 4%。而SG3525单路输出的占空比最大只能达到50%，所以这里将芯片的1 1引脚和1 4引脚输出的两路相位互差1 80。的PWM脉冲经外接的或非门U3以后输出给升压电路的开关管，使脉冲频率提高了一倍，满足了占空比的要求。

2.3 逆变控制器87C196MH

逆变电路采用i n t e l公司的8 7 C 1 9 6 M C作为控制器。8 7 C 1 9 6 M C是为三相交流感应电机和支流无刷电机而设计的1 6位单片机，由一个C1 96内核、一个A/D转换器、一个事件处理阵列EPA、两个定时/计数器、一个三相波形发生器WFG和一个脉宽调制单元PWM和七个I/O口等组成。

87C1 96MC片内三相波形发生器WFG大大简化了用于产生同步PWM波的控制软件和外部硬件。WFG共有三个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器、一个无信号时间发生器和一对可编程的输出，产生一对互补的PWM波。故WFG可产生独立且互不重叠的具有相同频率和工作方式的三相六路PWM波，由P6口输出，每路驱动电流可达2 μA。为防止同一桥臂上两个开关管同时导通而短路，可通过程序对WFG设置死区互锁时间，在使用1 6MH z晶振时，死区时间可在0.1 25～1 25μs之间设置。

逆变控制电路硬件原理框图如图4所示。启停控制电路为开关量控制，按下启动按钮，斩波电路先工作，经延时后向逆变控制电路发送启动信号，单片机开始输出PWM脉冲。故障反馈电路在逆变电路发生输出过流及输出缺相时，使单片机向逻辑保护电路发出故障信号，采用继电器输出。外部扩展E2PROM作为数据存储区存放按载波比不同设置的几个正弦真值表，用于SPWM波的生成。Rs232电路用以实现与键盘电路的接口。保护回路设有输出过流保护和缺相保护电路，故障保护采用中断触发方式，过流和缺相保护信号先接到P 2口，然后经与门接到87C196MH的EXTINT，这样CPU就可以及时的对故障中断做出响应，根据P2口检测的电平变化判断故障类型，使保护及时动作。

3 系统软件设计

3.1 SPWH脉冲宽度的计算

目前生成SPWM波的控制算法主要有自然采样法，对称规则采样法，不对称规则采样法，面积等效法等。本设计采用对称规则采样法，以三角波作为载波，正弦波作为调制波。

对称规则采样法中，脉冲宽度的计算公式为：

式（2）中，Tt为三角波周期;M为调制度（O≤M《1）;ω为正弦波频率，ts为采样时刻。

用87C196MC的WFG产生SPWM波时，先将正弦波按载波比N离散化、制成表，并将半载波周期也制成表，存到E2PROM。为使三相SPWM波对称，N应为3的整数倍。从消除谐波考虑，N越大越好，但N值要受开关器件开关频率和单片机运算速度的限制。通过查表和实时计算，得到脉冲宽度值，送到相位比较寄存器WG_COMPx中去。WG_COMPx的值与每次计数后的加1/减1计数器WG_COUNT相比较：WG_COUNT减1后，与WG_COMPx相等，输出一个触发信号;WG_COUNT减1到0001H后，重新加1，与WG_COMPx相等，再输出一个触发信号，这两个触发信号之间的时间间隔就是脉冲宽度。开关频率由重新装载寄存器WG_RELOAD确定。

三相SPWM脉宽计算公式如下：

系统软件主要由系统主型序、EXTINT故障中断子程序、WFG中断子程序、 A/D采样中断子程序等组成。

主程序主要功能有：对单片机各功能部件进行初始化和参数设置，对键盘和按钮状态进行检测，采样逆变电路输入电压与输出电流并判断是否满足要求，逻辑控制与故障处理，计算调制度M等。WFG中断子程序主要用来产生SPWM波，通过调制度M和查询存储在E2PROM里的正弦函数表，计算SPWM脉宽，生成SPWM波。EXTINT子程序主要用于故障分析与处理，当发生故障时，通过检测不同的I/O口来确定是何种故障，并视故障性质完成故障报警、封锁出发脉冲或跳闸等保护动作。

4 EHC设计

为了能让机车空凋电源在恶劣的环境下能可靠地运行，合理有效的抗干扰措施是必不可少的。

在硬件主电路中，对DC 11OV输入电压和DC 540V斩波输出电压都采用电容进行滤波，以减弱来自外部和斩波电路中产生的噪声，同时，逆变电路采用IPM模块，使结构紧凑，降低了电磁干扰。

控制电路中，在电源输入端加设电源滤波器，电源变压器采用屏蔽变压器。控制电路的地是悬浮的，与主电路不共地，二者接口处采用高速光耦进行隔离。传输导线采用双绞线，且布线时使信号线尽量远离高压大电流的主电路线路。在印制电路板的设计中，将相互关联的器件就近摆放，把功率电路和控制电路的元件尽量隔开距离，并将输入和输出信号尽量放置在引线端口附近，各集成芯片的电源与地之间接入高频特性好的0.01～0.1μF的CBB去耦电容等。

5 结语

经实验证明，本电源各技术指标都达到了设计的要求。在机车上可长时间满载运行，能够满足机车恶劣运行工况的要求，工作稳定可靠。