基于单片机的新型电子负载控制研究

轩克辉， 李金方， 李 远

（漯河职业技术学院， 河南 漯河 462000）

1 新型电子负载控制硬件设计

对于本文所设计的基于单片机的新型电子负载控制装置[1]，其总体架构如图1 所示。在直流升压的PWM控制环节，电压检测输入到单片机中进行数字处理，而电流检测则在模拟电路中进行，在逆变环节也采用相同的处理方式。

图1 系统整体结构

1.1 主回路电路设计

主回路电路如图2 所示，由1 个IGBT 为电路提供400 V 直流电压，采用4 个IGBT 组成全桥逆变器向电网回馈电能。UPS 端的220 V 交流电压整流后变为310 V 的直流电压，通过电感、开关等器件，采用电压外环，电流内环的双环PWM方式升压至400 V 直流电压。经过4 个开关器件，逆变成400 V 的方波电压信号。然后，经过电感、电容组成的滤波电路输出正弦交流信号，该正弦交流信号经过隔离变压器将电能回馈至市电电网[2-4]。

图2 系统主回路电路

1.2 驱动电路设计

为了能够使IGBT 正常工作，本文选用M57959器件作为核心单元搭建驱动电路，如图3 所示，既满足了IGBT的驱动功能，又实现了电路的过压保护功能。

图3 M57959 驱动IGBT 典型电路

1.3 电压检测设计

对于直流电压的检测，选取了KV50A/P 型号的电压检测核心器件，搭建的电路如图4 所示。利用了霍尔效应与磁补偿原理，通过原边电阻来测量流过电阻的电流，间接测出电压信号。需要注意的是，直流端的电容会给系统引入波纹，因此，在设计的时候需要增加滤波电路。

图4 直流电压检测电路

1.4 电流检测设计

电流检测可分为直流电流检测与交流电流检测，前者主要为系统提供反馈信号，后者主要用来产生系统同步信号。在该环节中，选取KT20A/PA 信号的电流检测器件作为核心器件，所搭建的电流如图5 所示。其主要原理是通过测量电流检测器件外围电阻上的电压值，由电压值间接得出电流值。因此，此环节往往会产生谐波，需要增加滤波调理电路，将电压输出值设置到合理的范围，并且消除谐波。

图5 电流检测电路

1.5 电压相位与幅度检测设计

在该环节电路设计时，首先通过硬件将电网输出的正弦电压信号转换成3.3 V 脉冲信号，两种信号有相同的过零点，当原始电网电压信号处在过零点上升处时，脉冲信号输出高电平，具体设计如图6 所示。图6 中选取的CSB2-10 mA 器件可以将电网电压信号转换成同相位的电信号，并能够与高电压隔离开来。经过比较器LM339 后，产生了与电网电压信号同相的方波信号，以此来实现对相位的检测。对于幅度的检测，原始市电电压信号经过放大器之后，输入给AD进行幅度检测，当幅度值低于阈值时，设备关机。

图6 电网电压同步信号产生电路

2 新型电子负载控制软件设计

本设计主程序每隔20 ms 运行一次，负责所有软件的管理、各种寄存器及中断的设计，同时，结合运行检测的结果实现对子程序的调用，主程序流程图如图7 所示。

图7 主程序流程

对于采用子程序的设计，在收到采样触发标志后，立即启动采样操作，结合定时设计连续采样60 次，可以完成10 ms 的电压采集，这样就可以计算出电压均值及最大值。采样标志是在正弦信号过零点时设定的，在采样开始时清除。因此，我们可以大概算出采样标志每隔20 ms 设定一次。除此之外，采样子程序还设计了过压保护功能，采样子程序流程如图8 所示。

图8 采样子程序流程

3 结语

针对UPS 电源传统大电阻负载能耗放电模式检测中的问题，本文从硬件设计与软件设计两个方面对新型电子负载控制装置进行分析，提出了一种新的电子负载控制方案，通过对电阻特性进行模拟，极大地提高了电源测试效率，解决了传统方式存在的问题，提高了经济效益。