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寄存器波形电路基于SA8282的三相逆变电源设计

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1.引言

  逆变器是构成交流不间断电源(UPS)及交流变频调速系统的核心部分,可独立构成系统成为变频电源装置,逆变电源在工业上有着广泛的应用,而大部分逆变电源电路结构和控制软件复杂,采用SPWM集成电路和关断开关设计逆变电源有较多的优越性。英国MITEL公司的推出的新型全数字化三相SPWM发生器SA8282,输出频率宽、精度高,可与微处理器接口,能完成外围控制功能和保护功能,可实现系统的智能化设计[3]。

  本文介绍一种简单的三相逆变电源的设计,采用AT89C51单片机、SA8282波形发生器及交直交主电路构成。SA8282仅需要少量的外围硬件,而无需复杂的软件编程,使得本系统的电路结构简单、控制方便、性能稳定,同时设计有一定的保护电路,系统工作可靠。

2.逆变电源的系统组成及主电路设计[2]

  电压型逆变电源由主电路和控制器两部分组成,如图1所示。其中主电路采用交直交(AC/DC/AC)电源型变频器结构,由整流器、中间滤波器、逆变器和隔离变压器构成。输入功率级采用简单可靠的三相桥式不可控整流器,将电网交流电整流成直流,经中间滤波器滤波获得平滑的直流电压,逆变器开关采用富士公司的40KHz两单元IGBT模块三组(六只)组成三相H桥式电路。逆变电源的输入、输出之间为实现电气隔离和满足输出电压幅度的要求,在逆变电源中必须有变压器,对于三相变频电源采用在输出端接入变压器△/Y进行隔离变压,以减小电源的体积和重量。

3.SA8282特性功能与结构原理

  SA8282是全数字化三相PWM发生器,频率范围宽、精度高,并可与微处理器进行接口,同时能够完成外围控制功能,因而可实现智能化。

3.1特性功能

  SA8282采用28脚DIP封装,其外部引脚和内部结构如图2所示。各引脚的功能为,AD0~AD7是八位地址与数据复用总线,用于从微处理器接受地址与数据信息。¯¯W¯R(R/¯W)、¯¯R¯D(DS)、ALE(AS)三个引脚为Intel(MOTOROLA)控制模式,SA8282在工作时可自动适应Intel或MOTOROLA控制模式,当ALE(AS)管脚变为高电平时,SA8282内部检测电路将自动锁存¯R¯D(DS)线上的状态。如果检测结果为低电平,则采用MOTOROLA控制模式;如果检测结果为高电平,则采用Intel控制模式。¯R¯S¯T是复位端,低电平有效;¯C¯S为片选输入,该控制线可使SA8282与其它外围接口片共享同一组总线。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB为标准TTL电平输出端(即PWM驱动信号)可分别驱动三相逆变器的六个功率开关器件。¯T¯R¯IP为输出封锁状态指示,用于表明输出是否被封存,低电平有效。SET TRIP是关断触发信号输入端,当输入为高时,¯T¯R¯IP及六个PWM输出端将迅速锁存在低电平状态,且只有在¯R¯S¯T复位时才能解除。WSS是波形采样同步端口;ZPPB、ZPPY、ZPPR分别是三相信号的零相位脉冲输出端。CLX为时钟信号输入端。VDD是+5V偏置电源。VSS接地端。此外,SA8282芯片还具有以下特点:

⑴全数字化

  SA8282与微处理器相连时,可自动适应Intel和MOROTOLA两种总线接口,而且编程简捷方便。其全数字化的脉冲输出具有很高的精度和稳定性。

⑵工作方式灵活

  SA8282具有六个标准的TIL电平输出端,可以驱动逆变器的六个功率开关器件。电路的载波频率、调制频率、调制比、最小脉宽、死区时间等工作参数均可直接通过软件设定,而不需要任何外接电路,从而降低了硬件成本。

⑶工作频率范围宽、精度高

  SA8282的三角载波频率可调,当时钟频率为12.5MHz时,载波频率最高可达24kHz,输出调制频率最高可达4kHz,输出频率的分辨率为12位。

3.2结构原理

  SA8282的内部结构和外部引脚如图2所示。主要包括初始化命令和控制命令寄存部分、从ROM中读取及产生PWM调制波形部分以及三相输出控制电路等三个功能部分。

⑴命令寄存器初始化及控制

  由总线控制、地址/数据总线、暂存器R0~R2、虚拟寄存器R3~R4及24位初始化寄存器和24位控制寄存器构成。在工作时应首先进行初始化,从微处理器向初始化寄存器和控制寄存器输入控制字,进行系统参数设置,然后由微处理器向两个24位寄存器输入命令字,这两个寄存器分别被称为初始化寄存器和控制寄存器。由于总线的数据宽度被限制在8位字长,因此要把数据送到一个24位寄存器,应分三次分别送到三个暂存寄存器R0、R1、R2中。而数据由暂存寄存器R0、R1、R2送到初始化寄存器或控制寄存器是通过虚拟寄存器R3、R4的送数写指令来实现的,R3、R4实际上不存在,只在指令中出现。向R3送数的写指令用于将数据从R0、R1、R2传送到控制寄存器,而向R4送数的写指令则可将数据从R0、R1、R2传送到初始化寄存器。参数设定是通过控制字形式实现。

⑵读取ROM及产生PWM调制波形部分

  由地址发生器、波形ROM及相位和控制逻辑构成。由于调制波形关于90°、180°、270°对称,所以波形ROM中仅保存了0~90°的波形瞬时值。工作时,SA8282可根据地址发生器的信号直接从波形ROM中读取波形数据,然后通过相位控制逻辑将其组成0~360°的完整波形和三相波形,不需要处理器进行处理,就可实现实时波形控制。

⑶三相输出控制电路

  SA8282中的每相输出控制电路均由脉冲取消和脉冲延时电路构成。脉冲取消电路用于去掉脉冲宽度小于取消时间的脉冲,以保证最小输出脉冲宽度大于器件的开关周期。延时电路可保证死区间隔,其作用是在改变任一相中两个开关器件的状态时提供一个较短的延迟时间,以使这段时间里的两个开关都处于关状态,从而防止在转换瞬间桥臂开关元件出现共同(两个开关在状态转换期间造成直通短路)现象。

4.控制器的设计

  逆变电源控制器如图1所示。由单片机AT89C51、SPWM发生器SA8282、驱动器HL402B和检测数据采集电路ADC0809以及保护电路、显示电路等组成,完成控制和驱动输出两大功能[4]。

4.1控制电路

  单片机AT89C51及少量的外围扩展接口和SA8282三相SPWM产生器构成控制电路。单片机对SA8282进行初始化和输出脉宽控制、频率控制,同时完成对开环、闭环控制算法的运算和数据处理。模拟信号与数字信号的以及保护功能的逻辑判断等,由于SA8282和AT89C51共用一个石英晶体震荡器,故同步性能稳定,漂移小。单片机对逆变器输出电压的闭环控制原理如图3所示,单片机采用PI算法调节SA8282参数从而控制逆变电源输出电压。

4.2驱动电路

  采用具有自保护功能的IGBT厚膜驱动集成电路HL402B,并配以外围接口器件,可应用于额定容量为200A/1.2kV和400A/600V的IGBT功率器件的直接门极驱动。HL402B驱动IGBT的外部接线如图4所示。

  HL402B的优点是①自身具有降栅压和软关断的双重保护功能,其降栅压延迟时间,软关断斜率均可通过外接电容器进行整定;②能适应不同饱和压降的IGBT驱动和保护,在软关断和降栅压的同时能输出报警信号;③其内部有带静电屏蔽的光电藕合器,可用来实现与输入部分的隔离,显著提高了其抗共模干扰的能力;④可对信号进行脉冲功率放大,因逆变电路使用了6只IGBT,故需6只HL402B来驱动。

5.系统软件设计

  由于系统采用了SA8282 SPWM产生器,编程工作量大大减少,系统程序如图5所示,包括初始化程序、显示程序、按键监控程序、单周期工作测试、调压U、调频F、连续工作控制等模块。在初始化程序中,单片机对SA8282选送控制字,用于确定频率、死区时间、输出电压控制等。电压、频率的调整是把A/D转换的数据,经单片机处理后,根据设定值和实际值的差通过PI运算控制SA8282输出的电压和频率。显示程序将电压、电流、频率的数值通过LED分别显示出来。其中连续工作控制程序模块包括数据采集、PI电压控制运算、频率控制等子程序。电压、频率给定和实际电压值通过A/D转换数据采集、运算处理后,控制SA8282的输出电压SPWM脉宽和频率,从而控制逆变器输出电压和输出频率。

6.系统保护及抗干扰措施

  逆变电源系统的主电路及H桥保护通过电流和电压互感器对逆变器输出进行监测,HL402B对IGBT的过流过压进行监测,一旦主电路及H桥发生异常,关机信号直接通过SA8282的SETTRIP端关闭PWM输出,单片机软件保护程序采集硬件电路送来的保护信号,发出关机命令,同时显示报警信号。软件保护程序也可从根据测试数据进行判断过流过压并进行保护控制。在控制程序中设置了Watchdog Timer防止单片机死机。特别是对单片机控制电路的供电电源采用高品质进线滤波器,可以有效地去除电源干扰。PCB板走线的合理趋向和分布,减少有害的耦合。对IGBT的栅极驱动电路采取Kelvin接地,保护H桥。

7.结束语

  实验表明,利用单片计算机与SA8282三相脉宽调制波发生器的组合,大大简化了控制电路,减小了器件数量,缩小了体积,降低了成本,提高了载波频率,使输出波形为纯正弦。由测试结果可见,电压稳定度小于1﹪,频率稳定度为0.05﹪,总谐波含量为1﹪。其实验波形如图6所示。若超负载达到200﹪时,短路保护立即关闭电源,实施紧急保护,从而满足了性能指标的要求,采用厚膜驱动电路,具有自保护功能,采用硬件和软件双重保护使系统主电路和IGBT逆变器的工作更加可靠。控制器采用闭环控制,提高了系统的输出精度。

  如果将逆变器作为变频电源,用于交流电机的变频调速系统时,则只需改变对SA8282初始化控制字的设定,就能方便地改变输出交流电的频率和工作电压,省去了大量的编程工作,还能做到实时控制。由于波形为纯正弦波,减少谐波影响,提高工作效率。

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