新型單相逆變電源的研制

1前言

目前，變頻電源大多采用正弦脈寬調(diào)制，即所謂SPWM技術(shù)。其控制電路大多采用模擬方法實(shí)現(xiàn)，電路比較復(fù)雜，有溫漂現(xiàn)象，影響精度，限制了系統(tǒng)的性能，以80C196MC或TMS320F240為核心組成的控制電路，能實(shí)現(xiàn)電源的全數(shù)字化控制，但系統(tǒng)較復(fù)雜，軟件工作量大，研制周期長。而MITEL公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型SPWM波產(chǎn)生器SA4828，可與單片機(jī)連接，完成外圍控制功能，使系統(tǒng)智能化。單片機(jī)只用很少的時(shí)間去控制它，因而有能力進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的檢測、保護(hù)、控制、顯示等?；谏鲜鲈颍刂齐娐凡捎肧A4828和AT89C52。同時(shí)為消除輸出濾波電感的噪音，將變壓器和電感集成在一起，利用輸出變壓器的漏感與電容組成LC低通濾波器，不但消除了輸出濾波電感產(chǎn)生的噪音，而且簡化了主電路設(shè)計(jì)。

2硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由主電路、控制驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及鍵盤顯示電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

21主電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，三相交流輸入電壓經(jīng)過整流濾波后作為逆變器的輸入，圖中虛線部分為輸出變壓器。從圖中可以看出，電路中沒有使用分離的濾波電感。而是根據(jù)磁路集成原理，將變壓器和濾波電感集成為一個(gè)磁性元件，再在變壓器的次級(jí)并以適當(dāng)?shù)碾娙?，組成濾波網(wǎng)絡(luò)。從電容兩端獲得正弦電壓輸出。

22控制、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

控制電路以AT89C52和SA4828為核心，完成SPWM波的產(chǎn)生、系統(tǒng)的檢測、控制、更新顯示以及查詢按鍵功能。SA4828是MITEL公司專門為電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)的三相SPWM波產(chǎn)生器，也可用于靜止變頻電源，它是SA8282的增強(qiáng)型，具有全數(shù)字化操作，輸出波形精度高；工作頻率范圍寬，輸出電源頻率可達(dá)4kHz，頻率控制精度達(dá)16位；工作方式靈活，配備微處理器接口，其工作參數(shù)：載波頻率、電源頻率、輸出幅值、死區(qū)等都可以通過微處理器很方便寫入，并只需在改變工作方式時(shí)才刷新。此外，它還具備看門狗定時(shí)、三相幅值獨(dú)立可調(diào)等功能。關(guān)于SA4828的具體資料，請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[1]。本系統(tǒng)取SA4828的兩相四路SPWM輸出作為控制信號(hào)。

圖1系統(tǒng)框圖

工作時(shí)，單片機(jī)首先對(duì)SA4828進(jìn)行初始化，定義載波頻率，電源頻率范圍、死區(qū)、最小脈沖取消時(shí)間等參數(shù)。然后向SA4828的控制寄存器傳送電源的頻率控制字和幅度控制字等參數(shù)。正常工作時(shí)，根據(jù)需要對(duì)SA4828的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋與實(shí)時(shí)控制，以及調(diào)壓和調(diào)頻。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能，采用平均值反饋PI調(diào)節(jié)。輸出電壓經(jīng)隔離、取樣后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果參與PI運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果即為SA4828幅度控制寄存器的控制字。電壓調(diào)節(jié)時(shí)，用戶通過控制面板的電壓調(diào)節(jié)按鍵改變PI算法中電壓的給定值，通過PI調(diào)節(jié)改變輸出電壓。頻率的控制無須構(gòu)成閉環(huán)，調(diào)頻時(shí)，單片機(jī)根據(jù)用戶設(shè)定直接修改SA4828頻率控制寄存器的控制字，以改變電源輸出頻率。

為能保存用戶調(diào)節(jié)結(jié)果，用戶調(diào)節(jié)后，將電壓、頻率給定值存入帶看門狗、欠壓保護(hù)的串行E2ROMX25045中，下次開機(jī)時(shí)，從中調(diào)出電壓和頻率給定值。系統(tǒng)采用LED顯示方式，同時(shí)顯示輸出電壓、電流和頻率，顯示電路以MAX7219為核心組成。

必須強(qiáng)調(diào)的是：SA4828對(duì)時(shí)鐘信號(hào)較敏感，CPU內(nèi)部時(shí)鐘電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)根本不能使SA4828正常工作，必須用獨(dú)立的外部振蕩電路產(chǎn)生工作時(shí)鐘，為使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可使單片機(jī)與SA4828公用同一時(shí)鐘源。

本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路采用日本三菱公司生產(chǎn)的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊M57959L，該模塊驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，隔離性好，內(nèi)置集電極電壓檢測電路。

23保護(hù)電路

本系統(tǒng)保護(hù)功能全面，包括集電極過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)及過熱保護(hù)。集電極過壓保護(hù)信號(hào)由驅(qū)動(dòng)芯片M57959L提供；過流保護(hù)信號(hào)由霍爾傳感器取樣母線電流得到；過載保護(hù)信號(hào)通過取樣輸出電流獲得；過熱保護(hù)信號(hào)由溫度繼電器獲取。另外單片機(jī)的P23口也會(huì)輸出保護(hù)信號(hào)。各保護(hù)信號(hào)經(jīng)邏輯變換后一路和SA4828的SETTRIP端相接，SETTRIP端為自動(dòng)緊急保護(hù)關(guān)斷端口，當(dāng)此引腳出現(xiàn)高電平時(shí)，SA4828會(huì)自動(dòng)關(guān)斷PWM輸出，直到SA4828復(fù)位；另一路接AT89C52的P35口，當(dāng)單片機(jī)查詢到此高電平時(shí)，會(huì)在軟件上作相應(yīng)的保護(hù)處理，同時(shí)通過P23口輸出保護(hù)信號(hào)，再度封鎖輸出。除此之外，當(dāng)單片機(jī)檢測到系統(tǒng)有異常情況時(shí)，也會(huì)通過P23口輸出保護(hù)信號(hào)。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的一項(xiàng)核心工作，它決定逆變電源的輸出特性，如電壓、頻率范圍及穩(wěn)定度，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，保護(hù)功能的完善，工作可靠性等。系統(tǒng)軟件采用模塊化編程法。主程序框圖如圖2所示。單片機(jī)在初始化程序中完成對(duì)單片機(jī)、SA4828以及其它可編程器件的初始化，接著對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，如果正常，則進(jìn)入緩啟動(dòng)模塊，通過SA4828，十分容易實(shí)現(xiàn)緩啟動(dòng)的功能，只需將SA4828幅度控制寄存器的控制字從0逐漸加到正常值。隨后進(jìn)入PI調(diào)節(jié)模塊，并利用輸出電壓穩(wěn)定后的時(shí)間進(jìn)行鍵盤掃描、故障檢測、更新顯示等。為防止意外情況而使程序陷入死循環(huán)，設(shè)計(jì)了一個(gè)軟件看門狗，如果PI調(diào)節(jié)超時(shí)，會(huì)引起軟件看門狗復(fù)位，使程序退出PI調(diào)節(jié)模塊。

PI調(diào)節(jié)模塊是系統(tǒng)程序中最重要的模塊，它決定逆變器輸出電壓的穩(wěn)定度、精度以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。程序框圖如圖3所示，采用帶死區(qū)的增量式PI算法，其表達(dá)式為：（1）

式中：Δu(K)=(KP＋KI)e(K)－KPe(K－1)[2]

受運(yùn)算字長的限制，而采樣周期又很小，增量式算法容易出現(xiàn)積分不靈敏區(qū)[2]。為消除積分不靈敏區(qū)，在進(jìn)行PI運(yùn)算時(shí)先將式（1）兩邊同時(shí)除以2，采用雙字節(jié)補(bǔ)碼定點(diǎn)運(yùn)算，在輸出u(K)前，把PI算法算出的u(K)值左移一位作為輸出值。該方法大大縮小了積分不靈敏區(qū)，而且便于編制程序。另外，在補(bǔ)碼運(yùn)算時(shí)可能引起溢出，所以在進(jìn)行補(bǔ)碼運(yùn)算后必須進(jìn)行溢出判斷。

為防止尖峰干擾，程序在AD采樣后進(jìn)行了數(shù)字濾波，濾波方法為中位值濾波法[2]。

圖2主程序框圖