1.引言
逆變器是構(gòu)成交流不間斷電源（UPS）及交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部分，可獨(dú)立構(gòu)成系統(tǒng)成為變頻電源裝置，逆變電源在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，而大部分逆變電源電路結(jié)構(gòu)和控制軟件復(fù)雜，采用SPWM集成電路和關(guān)斷開關(guān)設(shè)計(jì)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(shù)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(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)[3]。
本文介紹一種簡單的三相逆變電源的設(shè)計(jì)，采用AT89C51單片機(jī)、SA8282波形發(fā)生器及交直交主電路構(gòu)成。SA8282僅需要少量的外圍硬件，而無需復(fù)雜的軟件編程，使得本系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、性能穩(wěn)定，同時(shí)設(shè)計(jì)有一定的保護(hù)電路，系統(tǒng)工作可靠。
2.逆變電源的系統(tǒng)組成及主電路設(shè)計(jì)[2]
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(jié)構(gòu)，由整流器、中間濾波器、逆變器和隔離變壓器構(gòu)成。輸入功率級采用簡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(xiàn)電氣隔離和滿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(jié)構(gòu)原理
SA8282是全數(shù)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(xiàn)智能化。
3.1特性功能
SA8282采用28腳DIP封裝，其外部引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。各引腳的功能為，AD0～AD7是八位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線，用于從微處理器接受地址與數(shù)據(jù)信息。¯¯W¯R(R/¯W)、¯¯R¯D(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(yīng)Intel或MOTOROLA控制模式，當(dāng)ALE(AS)管腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，SA8282內(nèi)部檢測電路將自動(dòng)鎖存¯R¯D(DS)線上的狀態(tài)。如果檢測結(jié)果為低電平，則采用MOTOROLA控制模式；如果檢測結(jié)果為高電平，則采用Intel控制模式。¯R¯S¯T是復(fù)位端，低電平有效；¯C¯S為片選輸入，該控制線可使SA8282與其它外圍接口片共享同一組總線。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平輸出端(即PWM驅(qū)動(dòng)信號)可分別驅(qū)動(dòng)三相逆變器的六個(gè)功率開關(guān)器件。¯T¯R¯IP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(dāng)輸入為高時(shí)，¯T¯R¯IP及六個(gè)PWM輸出端將迅速鎖存在低電平狀態(tài)，且只有在¯R¯S¯T復(fù)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(shù)字化
SA8282與微處理器相連時(shí)，可自動(dòng)適應(yīng)Intel和MOROTOLA兩種總線接口，而且編程簡捷方便。其全數(shù)字化的脈沖輸出具有很高的精度和穩(wěn)定性。
⑵工作方式靈活
SA8282具有六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TIL電平輸出端，可以驅(qū)動(dòng)逆變器的六個(gè)功率開關(guān)器件。電路的載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制比、最小脈寬、死區(qū)時(shí)間等工作參數(shù)均可直接通過軟件設(shè)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(diào)，當(dāng)時(shí)鐘頻率為12.5MHz時(shí)，載波頻率最高可達(dá)24kHz，輸出調(diào)制頻率最高可達(dá)4kHz，輸出頻率的分辨率為12位。
3.2結(jié)構(gòu)原理
SA8282的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(diào)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
由總線控制、地址/數(shù)據(jù)總線、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(gòu)成。在工作時(shí)應(yīng)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(tǒng)參數(shù)設(shè)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)寄存器分別被稱為初始化寄存器和控制寄存器。由于總線的數(shù)據(jù)寬度被限制在8位字長，因此要把數(shù)據(jù)送到一個(gè)24位寄存器，應(yīng)分三次分別送到三個(gè)暫存寄存器R0、R1、R2中。而數(shù)據(jù)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虛擬寄存器R3、R4的送數(shù)寫指令來實(shí)現(xiàn)的，R3、R4實(shí)際上不存在，只在指令中出現(xiàn)。向R3送數(shù)的寫指令用于將數(shù)據(jù)從R0、R1、R2傳送到控制寄存器，而向R4送數(shù)的寫指令則可將數(shù)據(jù)從R0、R1、R2傳送到初始化寄存器。參數(shù)設(shè)定是通過控制字形式實(shí)現(xiàn)。
⑵讀取ROM及產(chǎn)生PWM調(diào)制波形部分
由地址發(fā)生器、波形ROM及相位和控制邏輯構(gòu)成。由于調(diào)制波形關(guān)于90°、180°、270°對稱，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(jù)地址發(fā)生器的信號直接從波形ROM中讀取波形數(shù)據(jù)，然后通過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(xiàn)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(gòu)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關(guān)周期。延時(shí)電路可保證死區(qū)間隔，其作用是在改變?nèi)我幌嘀袃蓚€(gè)開關(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)開關(guān)都處于關(guān)狀態(tài)，從而防止在轉(zhuǎn)換瞬間橋臂開關(guān)元件出現(xiàn)共同(兩個(gè)開關(guān)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間造成直通短路)現(xiàn)象。
4.控制器的設(shè)計(jì)
逆變電源控制器如圖1所示。由單片機(jī)AT89C51、SPWM發(fā)生器SA8282、驅(qū)動(dòng)器HL402B和檢測數(shù)據(jù)采集電路ADC0809以及保護(hù)電路、顯示電路等組成，完成控制和驅(qū)動(dòng)輸出兩大功能[4]。
4.1控制電路
單片機(jī)AT89C51及少量的外圍擴(kuò)展接口和SA8282三相SPWM產(chǎn)生器構(gòu)成控制電路。單片機(jī)對SA8282進(jìn)行初始化和輸出脈寬控制、頻率控制，同時(shí)完成對開環(huán)、閉環(huán)控制算法的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理。模擬信號與數(shù)字信號的以及保護(hù)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(wěn)定，漂移小。單片機(jī)對逆變器輸出電壓的閉環(huán)控制原理如圖3所示，單片機(jī)采用PI算法調(diào)節(jié)SA8282參數(shù)從而控制逆變電源輸出電壓。
4.2驅(qū)動(dòng)電路
采用具有自保護(hù)功能的IGBT厚膜驅(qū)動(dòng)集成電路HL402B，并配以外圍接口器件，可應(yīng)用于額定容量為200A/1.2kV和400A/600V的IGBT功率器件的直接門極驅(qū)動(dòng)。HL402B驅(qū)動(dòng)IGBT的外部接線如圖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(hù)功能，其降柵壓延遲時(shí)間，軟關(guān)斷斜率均可通過外接電容器進(jìn)行整定；②能適應(yīng)不同飽和壓降的IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，在軟關(guān)斷和降柵壓的同時(shí)能輸出報(bào)警信號；③其內(nèi)部有帶靜電屏蔽的光電藕合器，可用來實(shí)現(xiàn)與輸入部分的隔離，顯著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來驅(qū)動(dòng)。
5.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
由于系統(tǒng)采用了SA8282 SPWM產(chǎn)生器，編程工作量大大減少，系統(tǒng)程序如圖5所示，包括初始化程序、顯示程序、按鍵監(jiān)控程序、單周期工作測試、調(diào)壓U、調(diào)頻F、連續(xù)工作控制等模塊。在初始化程序中，單片機(jī)對SA8282選送控制字，用于確定頻率、死區(qū)時(shí)間、輸出電壓控制等。電壓、頻率的調(diào)整是把A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)處理后，根據(jù)設(shè)定值和實(shí)際值的差通過PI運(yùn)算控制SA8282輸出的電壓和頻率。顯示程序?qū)㈦妷骸㈦娏鳌㈩l率的數(shù)值通過LED分別顯示出來。其中連續(xù)工作控制程序模塊包括數(shù)據(jù)采集、PI電壓控制運(yùn)算、頻率控制等子程序。電壓、頻率給定和實(shí)際電壓值通過A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集、運(yùn)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(tǒng)保護(hù)及抗干擾措施
逆變電源系統(tǒng)的主電路及H橋保護(hù)通過電流和電壓互感器對逆變器輸出進(jìn)行監(jiān)測，HL402B對IGBT的過流過壓進(jìn)行監(jiān)測，一旦主電路及H橋發(fā)生異常，關(guān)機(jī)信號直接通過SA8282的SETTRIP端關(guān)閉PWM輸出，單片機(jī)軟件保護(hù)程序采集硬件電路送來的保護(hù)信號，發(fā)出關(guān)機(jī)命令，同時(shí)顯示報(bào)警信號。軟件保護(hù)程序也可從根據(jù)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷過流過壓并進(jìn)行保護(hù)控制。在控制程序中設(shè)置了Watchdog Timer防止單片機(jī)死機(jī)。特別是對單片機(jī)控制電路的供電電源采用高品質(zhì)進(jìn)線濾波器，可以有效地去除電源干擾。PCB板走線的合理趨向和分布，減少有害的耦合。對IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路采取Kelvin接地，保護(hù)H橋。
7.結(jié)束語
實(shí)驗(yàn)表明，利用單片計(jì)算機(jī)與SA8282三相脈寬調(diào)制波發(fā)生器的組合，大大簡化了控制電路，減小了器件數(shù)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(jié)果可見，電壓穩(wěn)定度小于1﹪，頻率穩(wěn)定度為0.05﹪，總諧波含量為1﹪。其實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。若超負(fù)載達(dá)到200﹪時(shí)，短路保護(hù)立即關(guān)閉電源，實(shí)施緊急保護(hù)，從而滿足了性能指標(biāo)的要求，采用厚膜驅(qū)動(dòng)電路，具有自保護(hù)功能，采用硬件和軟件雙重保護(hù)使系統(tǒng)主電路和IGBT逆變器的工作更加可靠。控制器采用閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的輸出精度。
如果將逆變器作為變頻電源，用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，則只需改變對SA8282初始化控制字的設(shè)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。