SA8281型SPWM波發(fā)生器原理及在變頻器中的應(yīng)用

1 引言
脈寬調(diào)制技術(shù)通過一定的規(guī)律控制開關(guān)元件的通斷，來獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形，用以近似正弦電壓波形。脈寬調(diào)制技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用對現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用。
近幾年來，由于場控自關(guān)斷器件的不斷涌現(xiàn),相應(yīng)的高頻SPWM(正弦脈寬調(diào)制)技術(shù)在電機(jī)調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用。SA8281是MITEL公司推出的一種用于三相SPWM波發(fā)生和控制的集成電路，它與微處理器接口方便，內(nèi)置波形ROM及相應(yīng)的控制邏輯，設(shè)置完成后可以獨(dú)立產(chǎn)生三相PWM波形，只有當(dāng)輸出頻率或幅值等需要改變時才需微處理器的干預(yù)，微處理器只用很少的時間控制它，因而有能力進(jìn)行整個系統(tǒng)的檢測、保護(hù)和控制等?；赟A8281和89C52的變頻器具有電路簡單、功能齊全、性能價(jià)格比高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

2 SA8281的主要特點(diǎn)及引腳功能
2.1 SA8281的主要特點(diǎn)
SA8281與微處理器的接口靈活，適用于英特爾和摩托羅拉二種總線接口，編程控制簡捷方便；SA8281有6個標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平輸出，用來驅(qū)動逆變器的6個功率開關(guān)器件。直接通過軟件設(shè)定載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制比、最小脈寬、死區(qū)時間等工作參數(shù)，設(shè)置靈活，無需任何外接電路，節(jié)約了硬件成本；
工作頻率范圍寬、精度高，三角載波頻率可調(diào)，當(dāng)時鐘頻率為12.5 MHz時，載波頻率最高可達(dá)24kHz，輸出調(diào)制頻率最高可達(dá)4 kHz，全數(shù)字化的脈沖輸出具有很高的精度和溫度穩(wěn)定性；
在電路不變的情況下，通過修改控制參數(shù)就可改變逆變器的性能指標(biāo)，驅(qū)動不同負(fù)載或在不同的工況下工作；
可通過改變SPWM脈沖的相序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；
獨(dú)立閉鎖端可瞬時閉鎖輸出SPWM脈沖，可處理電機(jī)突發(fā)情況的發(fā)生。
2.2 SA8281的引腳功能
SA8281采用28引腳DIP和SOIC封裝，其引腳排列如圖1所示。主要引腳有兩類：一類是與微處理器的接口和控制引腳；另一類是SPWM脈沖輸出和控制引腳。

(1)與微處理器的接口和控制引腳AD0_AD7：數(shù)據(jù)和地址復(fù)用總線。CS、WR、RD、ALE分別是片選、寫、讀和地址鎖存信號線。
(2) SPWM脈沖輸出和控制引腳
RPHB、YPHB、BPHB分別通過驅(qū)動電路控制R、Y、B的下臂開關(guān)管。
RPHT、YPHT、BPHT分別通過驅(qū)動電路控制R、Y、B的上臂開關(guān)管。
SET TRIP：通過該引腳可以快速關(guān)斷所有SP-WM信號輸出，高電平有效。
TRIP：輸出閉鎖狀態(tài)。當(dāng)SET TRTP有效時，TRIP為低電平，表示輸出已經(jīng)閉鎖。
ZPPR：輸出調(diào)制波頻率。
WSS：輸出采樣波形。
(3)其他引腳
RST：硬件復(fù)位引腳，低電平有效。
CLK：時鐘輸入端。
VDD、VSS：正負(fù)電源端。

3 SA8281的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
SA8281的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出，來自微處理器的數(shù)據(jù)通過總線控制和譯碼進(jìn)入初始化寄存器和控制寄存器,對相位和控制邏輯電路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。外部時鐘輸入經(jīng)分頻器分別設(shè)定頻率。SA8281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把它組成0~360的完整SPWM波形。整個過程不需要微處理器的控制。每相輸出控制電路由脈寬刪除和脈沖延時電路構(gòu)成。SPWM波通過脈寬刪除電路刪去比較窄的、脈沖寬度小于刪除時間的脈沖。延時電路生成死區(qū)時間，保證任何橋臂上的二個開關(guān)管不會在轉(zhuǎn)換瞬間共同導(dǎo)通。

4 變頻器設(shè)計(jì)
變頻器的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，三相交流電壓經(jīng)不可控整流橋整流成514 V直流電壓送至直流環(huán)節(jié),經(jīng)電容濾波后,獲得比較平直的直流電壓。由89C52型8位微處理器控制專用三相PWM電路SA8281產(chǎn)生需要的SPWM信號，控制IGBT組成的逆變橋在SPWM模式下工作。89C52和SA8281的接口電路原理圖如圖4所示。

如圖4所示，SA8281的地址數(shù)據(jù)總線與89C52的PO口直接相連，3條控制線、WR、RD、ALE分別與89C52相應(yīng)引腳相連,片選信號CS與P2.7相接。微處理器的Pl.0控制SA8281的復(fù)位引腳RST?？紤]到89C52型單片機(jī)沒有非屏蔽中斷，設(shè)計(jì)時將所有故障信號合并后直接送SA8281的SET TRIP引腳，以實(shí)現(xiàn)有故障時的快速閉鎖，并利用TRIP產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行故障的處理及恢復(fù)等工作。為了避免誤閉鎖，各故障信號均加有濾波延遲電路，合并后的故障信號進(jìn)一步經(jīng)由單穩(wěn)電路構(gòu)成的窄脈沖消除電路以消除干擾脈沖的影響。
通過軟件設(shè)定載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制比、最小脈寬、死區(qū)時間等工作參數(shù)后，只有當(dāng)輸出頻率或幅值等需要改變時才需微處理器的干預(yù)，微處理器只用很少的時間控制它，因而微處理器的主要任務(wù)是保證功率器件在正常的工作條件下運(yùn)行，出現(xiàn)異常情況時能夠及時檢測出故障并閉鎖系統(tǒng)輸出，切斷主回路電源，使系統(tǒng)停止工作，保證功率器件不受損壞。設(shè)計(jì)的變頻器保護(hù)功能包括過電流保護(hù)、過壓、欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)和短路保護(hù)等。

5 軟件實(shí)現(xiàn)
軟件實(shí)現(xiàn)是整個變頻器控制的核心，它決定變頻器的輸出特性，如電壓、頻率范圍及穩(wěn)定度、諧波含量、保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)可靠性提高等。圖5示出本系統(tǒng)的程序流程。程序采用模塊化設(shè)計(jì)，微處理器完成初始化后，調(diào)用鍵盤顯示子程序，首先判斷是否啟動，如果啟動，對SA8281初始化并允許SPWM脈沖輸出。變頻器采用軟啟動模式?？刂泼畹膮?shù)計(jì)算及設(shè)置主要用于確定頻率調(diào)節(jié)范圍、死區(qū)時間、輸出電壓幅值、中心頻率等。當(dāng)參數(shù)設(shè)定好后，微處理器主要監(jiān)控變頻器的工作狀態(tài)，根據(jù)不同的故障情況作出相應(yīng)處理。

6 結(jié)束語
使用SA8281型三相PWM波形發(fā)生器使控制電路大大簡化，器件減少、結(jié)構(gòu)緊湊，降低了成本，提高了可靠性。同時，SA8281與微處理器接口簡單，編程方便，全數(shù)字化脈沖輸出有很高的精度和溫度穩(wěn)定度。且工作頻率范圍寬，輸出頻率分辨率高，特別是在輸出頻率和幅值不變時不需微處理器的干預(yù)，占用CPU的時間少，是低成本逆變器的首選方案。