新型工業(yè)振動(dòng)棒變頻電源的研制

4 三相逆變器控制、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

4.1 逆變控制電路的設(shè)計(jì)

由于本方案逆變部分不需要通過調(diào)節(jié)調(diào)制深度來(lái)改變輸出電壓的大小，僅須實(shí)現(xiàn)變頻功能就可以，故控制電路采用的芯片是INTEL的87C51FX系列的8位單片機(jī)，價(jià)格比通用的Intel196單片機(jī)大大降低，而性能足夠。一般而言，應(yīng)用CPU產(chǎn)生PWM的典型用法是采用定時(shí)的方法，在定時(shí)中斷中通過查詢的方式來(lái)確定三相的輸出。但是，這種方法只適用于輸出PWM脈沖頻率很低的情況，當(dāng)輸出頻率大于1kHz時(shí)，中斷查詢時(shí)間就可能會(huì)長(zhǎng)于最小輸出脈沖寬度，這樣就會(huì)造成輸出脈沖寬度變大或減小，使輸出諧波加大，三相之間的對(duì)稱關(guān)系也會(huì)受到影響。與普通的51系列單片機(jī)相比，87C51FX增加了一個(gè)可編程的計(jì)數(shù)器陣列（PCA），它由一個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和5個(gè)16位比較/捕捉模塊組成，如圖5所示，其功能與Intel196單片機(jī)的EPA相似。PCA的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器作為比較/捕捉模塊的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，因此，主要作為定時(shí)器使用，每個(gè)比較/捕捉模塊都有4種用途，即捕捉外部引腳CEXn上輸出電平發(fā)生跳變的時(shí)間，軟件定時(shí)器，高速輸出和脈沖寬度調(diào)制輸出。

圖5 可編程計(jì)數(shù)器陣列

本方案采用不對(duì)稱規(guī)則采樣法產(chǎn)生三相6路控制脈沖。相比于對(duì)稱規(guī)則采樣法，不對(duì)稱規(guī)則采樣法所形成的階梯波更接近于正弦波。將計(jì)算出的三相脈沖寬度的值存成一個(gè)數(shù)據(jù)表，作為定時(shí)基準(zhǔn)，在程序中查詢這些定時(shí)時(shí)間就可以得到6路控制脈沖。工作原理簡(jiǎn)述如下：應(yīng)用87C51FX的軟件定時(shí)器和高速輸出方式，在16位比較方式中，16位PCA定時(shí)器的計(jì)數(shù)值和模塊中的16位比較寄存器中的預(yù)置值在每個(gè)機(jī)器周期進(jìn)行3次比較，若相等則產(chǎn)生一個(gè)匹配信號(hào)，使模塊工作于高速輸出方式，即在PCA定時(shí)器計(jì)數(shù)值和模塊的比較寄存器比較相等時(shí)產(chǎn)生一個(gè)匹配信號(hào)，該信號(hào)使外部引腳CEXn上的輸出電平發(fā)生跳變，如果允許也產(chǎn)生一個(gè)PCA中斷。由軟件來(lái)設(shè)置CEXn上輸出電平的初態(tài)，就可以使該引腳在預(yù)定時(shí)刻達(dá)到時(shí)發(fā)生正（負(fù)）跳變，利用這種方式就可以產(chǎn)生16位PWM波。

由于引腳的跳變不須經(jīng)過CPU的運(yùn)算來(lái)完成，因此，避免了由于最小脈沖寬度過窄而造成的脈沖寬度變化。程序主要由主程序和中斷服務(wù)程序兩部分組成。主程序主要是進(jìn)行初始化工作，將定時(shí)器和各個(gè)寄存器賦予初值。中斷程序主要包括用于產(chǎn)生PWM脈沖的PCA中斷服務(wù)程序和保護(hù)中斷程序：在PCA中斷服務(wù)程序中，主要是將下一個(gè)定時(shí)時(shí)間賦值給各個(gè)模塊的比較寄存器；保護(hù)中斷程序主要是處理當(dāng)有保護(hù)信號(hào)到來(lái)時(shí)，封鎖PWM輸出。

4.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

本方案中驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2130。IR2130的最大優(yōu)點(diǎn)是可共地運(yùn)行，因此只需要一路控制電源。而且它的6路輸出信號(hào)中的3路還具有電平轉(zhuǎn)換功能，既能驅(qū)動(dòng)低壓側(cè)的功率器件，也能驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率器件。IR2130還具有電流放大和過電流保護(hù)功能；欠壓鎖定并能指示欠壓和過電流狀態(tài)功能；輸入端噪聲抑制功能；同時(shí)還能自動(dòng)產(chǎn)生上、下側(cè)驅(qū)動(dòng)所必需的死區(qū)時(shí)間（2μs）等功能。實(shí)際應(yīng)用中的驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6采用IR2130的驅(qū)動(dòng)電路

4.3 保護(hù)電路與主電路的設(shè)計(jì)

由于驅(qū)動(dòng)電路部分具有電流保護(hù)功能，因此，保護(hù)電路部分只設(shè)計(jì)了電壓保護(hù)，包括輸入過壓、欠壓保護(hù)和輸出過壓、欠壓保護(hù)。保護(hù)電路如圖7所示。其中，這幾種保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)電路是類似的，即輸出（或輸入）電壓經(jīng)過分壓后送到比較器的反相端，比較器的同相端接給定電壓。他們的區(qū)別在于比較器的輸出不同，即輸入過壓和輸出過壓時(shí)，比較器輸出低電平；輸入欠壓和輸出欠壓時(shí)，比較器輸出高電平。前面3種保護(hù)電路的輸出經(jīng)過4011的運(yùn)算后，成為“或”的關(guān)系，即只要有一種故障發(fā)生，得到的故障信號(hào)就是高電平，送到CPU的外中斷端口進(jìn)行相應(yīng)的處理。輸出欠壓時(shí)，比較器輸出高電平，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警。

圖7 保護(hù)電路圖