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1.引言 逆變器是構成交流不間斷電源（UPS）及交流變頻調速系統的核心部分，可獨立構成系統成為變頻電源裝置，逆變電源在工業(yè)上有著(zhù)廣泛的應用，而大部分逆變電源電路結構和控制軟件復雜，采用SPWM集成電路和關(guān)斷開(kāi)關(guān)設計逆變電源有較多的優(yōu)越性。英國MITEL公司的推出的新型全數字化三相SPWM發(fā)生器SA8282，輸出頻率寬、精度高，可與微處理器接口，能完成外圍控制功能和保護功能，可實(shí)現系統的智能化設計。 本文介紹一種簡(jiǎn)單的三相逆變電源的設計，采用AT89C51單片機、SA8282波形發(fā)生器及交直交主電路構成。SA8282僅需要少量的外圍硬件，而無(wú)需復雜的軟件編程，使得本系統的電路結構簡(jiǎn)單、控制方便、性能穩定，同時(shí)設計有一定的保護電路，系統工作可靠。 2.逆變電源的系統組成及主電路設計 電壓型逆變電源由主電路和控制器兩部分組成，如圖1所示。其中主電路采用交直交（AC/DC/AC）電源型變頻器結構，由整流器、中間濾波器、逆變器和隔離變壓器構成。輸入功率級采用簡(jiǎn)單可靠的三相橋式不可控整流器，將電網(wǎng)交流電整流成直流，經(jīng)中間濾波器濾波獲得平滑的直流電壓，逆變器開(kāi)關(guān)采用富士公司的40KHz兩單元IGBT模塊三組（六只）組成三相H橋式電路。逆變電源的輸入、輸出之間為實(shí)現電氣隔離和滿(mǎn)足輸出電壓幅度的要求，在逆變電源中必須有變壓器，對于三相變頻電源采用在輸出端接入變壓器△/Y進(jìn)行隔離變壓，以減小電源的體積和重量。 3.SA8282特性功能與結構原理 SA8282是全數字化三相PWM發(fā)生器，頻率范圍寬、精度高，并可與微處理器進(jìn)行接口，同時(shí)能夠完成外圍控制功能，因而可實(shí)現智能化。 3.1 特性功能 SA8282采用28腳DIP封裝，其外部引腳和內部結構如圖2所示。各引腳的功能為，AD0～AD7是八位地址與數據復用總線(xiàn)，用于從微處理器接受地址與數據信息�！ァˉR(R/ˉW)、ˉˉRˉD(DS)、ALE(AS)三個(gè)引腳為Intel(MOTOROLA)控制模式，SA8282在工作時(shí)可自動(dòng)適應Intel或MOTOROLA控制模式，當ALE(AS)管腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，SA8282內部檢測電路將自動(dòng)鎖存ˉRˉD(DS)線(xiàn)上的狀態(tài)。如果檢測結果為低電平，則采用MOTOROLA控制模式；如果檢測結果為高電平，則采用Intel控制模式�！ˉSˉT是復位端，低電平有效；ˉCˉS為片選輸入，該控制線(xiàn)可使SA8282與其它外圍接口片共享同一組總線(xiàn)。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB為標準TTL電平輸出端(即PWM驅動(dòng)信號)可分別驅動(dòng)三相逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件�！ˉRˉIP為輸出封鎖狀態(tài)指示，用于表明輸出是否被封存，低電平有效。SET TRIP是關(guān)斷觸發(fā)信號輸入端，當輸入為高時(shí)，ˉTˉRˉIP及六個(gè)PWM輸出端將迅速鎖存在低電平狀態(tài)，且只有在ˉRˉSˉT復位時(shí)才能解除。WSS是波形采樣同步端口；ZPPB、ZPPY、ZPPR分別是三相信號的零相位脈沖輸出端。CLX為時(shí)鐘信號輸入端。VDD是+5V偏置電源。VSS接地端。此外，SA8282芯片還具有以下特點(diǎn)： ⑴全數字化 SA8282與微處理器相連時(shí)，可自動(dòng)適應Intel和MOROTOLA兩種總線(xiàn)接口，而且編程簡(jiǎn)捷方便。其全數字化的脈沖輸出具有很高的精度和穩定性。 ⑵工作方式靈活 SA8282具有六個(gè)標準的TIL電平輸出端，可以驅動(dòng)逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。電路的載波頻率、調制頻率、調制比、最小脈寬、死區時(shí)間等工作參數均可直接通過(guò)軟件設定，而不需要任何外接電路，從而降低了硬件成本。 ⑶工作頻率范圍寬、精度高 SA8282的三角載波頻率可調，當時(shí)鐘頻率為12.5MHz時(shí)，載波頻率最高可達24kHz，輸出調制頻率最高可達4kHz，輸出頻率的分辨率為12位。 3.2結構原理 SA8282的內部結構和外部引腳如圖2所示。主要包括初始化命令和控制命令寄存部分、從ROM中讀取及產(chǎn)生PWM調制波形部分以及三相輸出控制電路等三個(gè)功能部分。 ⑴命令寄存器初始化及控制 由總線(xiàn)控制、地址/數據總線(xiàn)、暫存器R0～R2、虛擬寄存器R3～R4及24位初始化寄存器和24位控制寄存器構成。在工作時(shí)應首先進(jìn)行初始化，從微處理器向初始化寄存器和控制寄存器輸入控制字，進(jìn)行系統參數設置，然后由微處理器向兩個(gè)24位寄存器輸入命令字，這兩個(gè)寄存器分別被稱(chēng)為初始化寄存器和控制寄存器。由于總線(xiàn)的數據寬度被限制在8位字長(cháng)，因此要把數據送到一個(gè)24位寄存器，應分三次分別送到三個(gè)暫存寄存器R0、R1、R2中。而數據由暫存寄存器R0、R1、R2送到初始化寄存器或控制寄存器是通過(guò)虛擬寄存器R3、R4的送數寫(xiě)指令來(lái)實(shí)現的，R3、R4實(shí)際上不存在，只在指令中出現。向R3送數的寫(xiě)指令用于將數據從R0、R1、R2傳送到控制寄存器，而向R4送數的寫(xiě)指令則可將數據從R0、R1、R2傳送到初始化寄存器。參數設定是通過(guò)控制字形式實(shí)現。 ⑵讀取ROM及產(chǎn)生PWM調制波形部分 由地址發(fā)生器、波形ROM及相位和控制邏輯構成。由于調制波形關(guān)于90°、180°、270°對稱(chēng)，所以波形ROM中僅保存了0～90°的波形瞬時(shí)值。工作時(shí)，SA8282可根據地址發(fā)生器的信號直接從波形ROM中讀取波形數據，然后通過(guò)相位控制邏輯將其組成0～360°的完整波形和三相波形，不需要處理器進(jìn)行處理，就可實(shí)現實(shí)時(shí)波形控制。 ⑶三相輸出控制電路 SA8282中的每相輸出控制電路均由脈沖取消和脈沖延時(shí)電路構成。脈沖取消電路用于去掉脈沖寬度小于取消時(shí)間的脈沖，以保證最小輸出脈沖寬度大于器件的開(kāi)關(guān)周期。延時(shí)電路可保證死區間隔，其作用是在改變任一相中兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)時(shí)提供一個(gè)較短的延遲時(shí)間，以使這段時(shí)間里的兩個(gè)開(kāi)關(guān)都處于關(guān)狀態(tài)，從而防止在轉換瞬間橋臂開(kāi)關(guān)元件出現共同(兩個(gè)開(kāi)關(guān)在狀態(tài)轉換期間造成直通短路)現象。 4.控制器的設計 逆變電源控制器如圖1所示。由單片機AT89C51、SPWM發(fā)生器SA8282、驅動(dòng)器HL402B和檢測數據采集電路ADC0809以及保護電路、顯示電路等組成，完成控制和驅動(dòng)輸出兩大功能。 4.1控制電路 單片機AT89C51及少量的外圍擴展接口和SA8282三相SPWM產(chǎn)生器構成控制電路。單片機對SA8282進(jìn)行初始化和輸出脈寬控制、頻率控制，同時(shí)完成對開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制算法的運算和數據處理。模擬信號與數字信號的以及保護功能的邏輯判斷等，由于SA8282和AT89C51共用一個(gè)石英晶體震蕩器，故同步性能穩定，漂移小。單片機對逆變器輸出電壓的閉環(huán)控制原理如圖3所示，單片機采用PI算法調節SA8282參數從而控制逆變電源輸出電壓。 4.2驅動(dòng)電路 采用具有自保護功能的IGBT厚膜驅動(dòng)集成電路HL402B，并配以外圍接口器件，可應用于額定容量為200A/1.2kV和400A/600V的IGBT功率器件的直接門(mén)極驅動(dòng)。HL402B驅動(dòng)IGBT的外部接線(xiàn)如圖4所示。 HL402B的優(yōu)點(diǎn)是①自身具有降柵壓和軟關(guān)斷的雙重保護功能，其降柵壓延遲時(shí)間，軟關(guān)斷斜率均可通過(guò)外接電容器進(jìn)行整定；②能適應不同飽和壓降的IGBT驅動(dòng)和保護，在軟關(guān)斷和降柵壓的同時(shí)能輸出報警信號；③其內部有帶靜電屏蔽的光電藕合器，可用來(lái)實(shí)現與輸入部分的隔離，顯著(zhù)提高了其抗共模干擾的能力；④可對信號進(jìn)行脈沖功率放大，因逆變電路使用了6只IGBT，故需6只HL402B來(lái)驅動(dòng)。 5.系統軟件設計 由于系統采用了SA8282 SPWM產(chǎn)生器，編程工作量大大減少，系統程序如圖5所示，包括初始化程序、顯示程序、按鍵監控程序、單周期工作測試、調壓U、調頻F、連續工作控制等模塊。在初始化程序中，單片機對SA8282選送控制字，用于確定頻率、死區時(shí)間、輸出電壓控制等。電壓、頻率的調整是把A/D轉換的數據，經(jīng)單片機處理后，根據設定值和實(shí)際值的差通過(guò)PI運算控制SA8282輸出的電壓和頻率。顯示程序將電壓、電流、頻率的數值通過(guò)LED分別顯示出來(lái)。其中連續工作控制程序模塊包括數據采集、PI電壓控制運算、頻率控制等子程序。電壓、頻率給定和實(shí)際電壓值通過(guò)A/D轉換數據采集、運算處理后，控制SA8282的輸出電壓SPWM脈寬和頻率，從而控制逆變器輸出電壓和輸出頻率。 6.系統保護及抗干擾措施 逆變電源系統的主電路及H橋保護通過(guò)電流和電壓互感器對逆變器輸出進(jìn)行監測，HL402B對IGBT的過(guò)流過(guò)壓進(jìn)行監測，一旦主電路及H橋發(fā)生異常，關(guān)機信號直接通過(guò)SA8282的SETTRIP端關(guān)閉PWM輸出，單片機軟件保護程序采集硬件電路送來(lái)的保護信號，發(fā)出關(guān)機命令，同時(shí)顯示報警信號。軟件保護程序也可從根據測試數據進(jìn)行判斷過(guò)流過(guò)壓并進(jìn)行保護控制。在控制程序中設置了Watchdog Timer防止單片機死機。特別是對單片機控制電路的供電電源采用高品質(zhì)進(jìn)線(xiàn)濾波器，可以有效地去除電源干擾。PCB板走線(xiàn)的合理趨向和分布，減少有害的耦合。對IGBT的柵極驅動(dòng)電路采取Kelvin接地，保護H橋。 7.結束語(yǔ) 實(shí)驗表明，利用單片計算機與SA8282三相脈寬調制波發(fā)生器的組合，大大簡(jiǎn)化了控制電路，減小了器件數量，縮小了體積，降低了成本，提高了載波頻率，使輸出波形為純正弦。由測試結果可見(jiàn)，電壓穩定度小于1﹪，頻率穩定度為0.05﹪，總諧波含量為1﹪。其實(shí)驗波形如圖6所示。若超負載達到200﹪時(shí)，短路保護立即關(guān)閉電源，實(shí)施緊急保護，從而滿(mǎn)足了性能指標的要求，采用厚膜驅動(dòng)電路，具有自保護功能，采用硬件和軟件雙重保護使系統主電路和IGBT逆變器的工作更加可靠�？刂破鞑捎瞄]環(huán)控制，提高了系統的輸出精度。 如果將逆變器作為變頻電源，用于交流電機的變頻調速系統時(shí)，則只需改變對SA8282初始化控制字的設定，就能方便地改變輸出交流電的頻率和工作電壓，省去了大量的編程工作，還能做到實(shí)時(shí)控制。由于波形為純正弦波，減少諧波影響，提高工作效率。 |
