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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，逆變電源在工業上有著廣泛的應用，而大部分逆變電源電路結構和控制軟件復雜，采用SPWM集成電路和關斷開關設計逆變電源有較多的優越性。英國MITEL公司的推出的新型全數字化三相SPWM發生器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，可實現系統的智能化設計。 本文介紹一種簡單的三相逆變電源的設計，采用AT89C51單片機、SA8282波形發生器及交直交主電路構成。SA8282僅需要少量的外圍硬件，而無需復雜的軟件編程，使得本系統的電路結構簡單、控制方便、性能穩定，同時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。輸入功率級采用簡單可靠的三相橋式不可控整流器，將電網交流電整流成直流，經中間濾波器濾波獲得平滑的直流電壓，逆變器開關采用富士公司的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、輸出之間為實現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發生器，頻率范圍寬、精度高，并可與微處理器進行接口，同時能夠完成外圍控制功能，因而可實現智能化。 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，用于從微處理器接受地址與數據信息。ˉˉWˉR(R/ˉW)、ˉˉRˉD(DS)、ALE(AS)三個引腳為Intel(MOTOROLA)控制模式，SA8282在工作時可自動適應Intel或MOTOROLA控制模式，當ALE(AS)管腳變為高電平時，SA8282內部檢測電路將自動鎖存ˉRˉD(DS)線上的狀態。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。ˉRˉSˉT是復位端，低電平有效；ˉCˉS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為標準TTL電平輸出端(即PWM驅動信號)可分別驅動三相逆變器的六個功率開關器件。ˉTˉRˉIP為輸出封鎖狀態指示，用于表明輸出是否被封存，低電平有效。SET TRIP是關斷觸發信號輸入端，當輸入為高時，ˉTˉRˉIP及六個PWM輸出端將迅速鎖存在低電平狀態，且只有在ˉRˉSˉT復位時才能解除。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： ⑴全數字化 SA8282與微處理器相連時，可自動適應Intel和MOROTOLA兩種總線接口，而且編程簡捷方便。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具有六個標準的TIL電平輸出端，可以驅動逆變器的六個功率開關器件。電路的載波頻率、調制頻率、調制比、最小脈寬、死區時間等工作參數均可直接通過軟件設定，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，當時鐘頻率為12.5MHz時，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中讀取及產生PWM調制波形部分以及三相輸出控制電路等三個功能部分。 ⑴命令寄存器初始化及控制 由總線控制、地址/數據總線、暫存器R0～R2、虛擬寄存器R3～R4及24位初始化寄存器和24位控制寄存器構成。在工作時應首先進行初始化，從微處理器向初始化寄存器和控制寄存器輸入控制字，進行系統參數設置，然后由微處理器向兩個24位寄存器輸入命令字，這兩個寄存器分別被稱為初始化寄存器和控制寄存器。由于總線的數據寬度被限制在8位字長，因此要把數據送到一個24位寄存器，應分三次分別送到三個暫存寄存器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虛擬寄存器R3、R4的送數寫指令來實現的，R3、R4實際上不存在，只在指令中出現。向R3送數的寫指令用于將數據從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。參數設定是通過控制字形式實現。 ⑵讀取ROM及產生PWM調制波形部分 由地址發生器、波形ROM及相位和控制邏輯構成。由于調制波形關于90°、180°、270°對稱，所以波形ROM中僅保存了0～90°的波形瞬時值。工作時，SA8282可根據地址發生器的信號直接從波形ROM中讀取波形數據，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，不需要處理器進行處理，就可實現實時波形控制。 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電路構成。脈沖取消電路用于去掉脈沖寬度小于取消時間的脈沖，以保證最小輸出脈沖寬度大于器件的開關周期。延時電路可保證死區間隔，其作用是在改變任一相中兩個開關器件的狀態時提供一個較短的延遲時間，以使這段時間里的兩個開關都處于關狀態，從而防止在轉換瞬間橋臂開關元件出現共同(兩個開關在狀態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發生器SA8282、驅動器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產生器構成控制電路。單片機對SA8282進行初始化和輸出脈寬控制、頻率控制，同時完成對開環、閉環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驅動電路 采用具有自保護功能的IGBT厚膜驅動集成電路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功率器件的直接門極驅動。HL402B驅動IGBT的外部接線如圖4所示。 HL402B的優點是①自身具有降柵壓和軟關斷的雙重保護功能，其降柵壓延遲時間，軟關斷斜率均可通過外接電容器進行整定；②能適應不同飽和壓降的IGBT驅動和保護，在軟關斷和降柵壓的同時能輸出報警信號；③其內部有帶靜電屏蔽的光電藕合器，可用來實現與輸入部分的隔離，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來驅動。 5.系統軟件設計 由于系統采用了SA8282 SPWM產生器，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，經單片機處理后，根據設定值和實際值的差通過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LED分別顯示出來。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、頻率給定和實際電壓值通過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橋保護通過電流和電壓互感器對逆變器輸出進行監測，HL402B對IGBT的過流過壓進行監測，一旦主電路及H橋發生異常，關機信號直接通過SA8282的SETTRIP端關閉PWM輸出，單片機軟件保護程序采集硬件電路送來的保護信號，發出關機命令，同時顯示報警信號。軟件保護程序也可從根據測試數據進行判斷過流過壓并進行保護控制。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進線濾波器，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的柵極驅動電路采取Kelvin接地，保護H橋。 7.結束語 實驗表明，利用單片計算機與SA8282三相脈寬調制波發生器的組合，大大簡化了控制電路，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，電壓穩定度小于1﹪，頻率穩定度為0.05﹪，總諧波含量為1﹪。其實驗波形如圖6所示。若超負載達到200﹪時，短路保護立即關閉電源，實施緊急保護，從而滿足了性能指標的要求，采用厚膜驅動電路，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。控制器采用閉環控制，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，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，還能做到實時控制。由于波形為純正弦波，減少諧波影響，提高工作效率。 |
