【導(dǎo)讀】本文設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字化的三相PWM逆變電源，利用專用SPWM波形發(fā)生器與單片機(jī)連接產(chǎn)生逆變驅(qū)動(dòng)信號(hào)SPWM波，設(shè)計(jì)中選用了單片機(jī)C8051F020控制和MITEL公司的SA4828芯片作為波形發(fā)生器。
逆變器是應(yīng)急電源的重要組成部分。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)急電源中逆變器輸出交流電壓的適時(shí)調(diào)節(jié)，減小輸出電壓諧波達(dá)到逆變電路數(shù)字化控制目的，三相逆變電路采用了正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方法，以C8051F020單片機(jī)和SA4828為核心，完成對(duì)SPWM波的產(chǎn)生及系統(tǒng)的控制。利用單片機(jī)特有的端口連接完成外圍控制功能，這樣就減少了應(yīng)急電源對(duì)波形產(chǎn)生的處理時(shí)間，保證波形具有較高精度，而且電路硬件連接簡(jiǎn)單。
引言
隨著社會(huì)發(fā)展，越是信息化、現(xiàn)代化，就越依賴于電力，突然斷電會(huì)給人們正常的生活秩序和學(xué)習(xí)帶來影響，尤其對(duì)于生產(chǎn)、生活中特別重要的負(fù)荷，一旦中斷供電，將會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。應(yīng)急電源產(chǎn)品已成為很多重要場(chǎng)所必不可少的重要設(shè)備，也是能夠最有效地解決停電事故和電力質(zhì)量不穩(wěn)定等問題的有效途徑，而逆變電路是應(yīng)急電源的重要組成部分。逆變電路在應(yīng)急電源中的作用是當(dāng)市電斷電或發(fā)生異常時(shí)，將蓄電池提供的直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟娸敵觯员ＷC重要負(fù)荷或設(shè)備的正常運(yùn)行。
目前，逆變電源大多采用正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)，其控制電路大多采用模擬方法實(shí)現(xiàn)。模擬控制技術(shù)雖然已經(jīng)非常成熟，但存在很多缺點(diǎn)如：控制電路的元器件多，電路復(fù)雜，體積較大，靈活性不夠等。本文設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字化的三相PWM逆變電源，利用專用SPWM波形發(fā)生器與單片機(jī)連接產(chǎn)生逆變驅(qū)動(dòng)信號(hào)SPWM波，設(shè)計(jì)中選用了單片機(jī)C8051F020控制和MITEL公司的SA4828芯片作為波形發(fā)生器。
逆變電路的結(jié)構(gòu)與工作原理
圖1是逆變電路的構(gòu)成。由蓄電池提供的直流電通過三相逆變電路變?yōu)榻涣麟姡浠l率是逆變電源的輸出頻率，該交流信號(hào)經(jīng)過輸出變壓器隔離，再由低通濾波器濾去諧波，獲得負(fù)載所需的三相正弦交流電。
圖1：逆變電路的結(jié)構(gòu)
在逆變電路中，逆變器及其控制是逆變電路的核心。逆變器的控制采用SPWM控制方式，本文利用SPWM波發(fā)生器和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器及輸出電壓的控制。由控制器產(chǎn)生的SPWM波控制開關(guān)器件的通斷，從而控制輸出電壓及其波形，并使輸出電壓穩(wěn)定。
三相逆變器主電路設(shè)計(jì)
三相逆變器主電路如圖2所示，是由三相逆變橋、變壓器、濾波器組成。
圖2：三相逆變主電路圖
逆變器開關(guān)器件采用6單元IPM智能功率模塊。LCR低通濾波器中電感L的作用是抑制高次諧波通過;電容C為逆變器產(chǎn)生的高次諧波提供旁路;電阻R起阻尼作用，防止或抑制諧波的產(chǎn)生。在市電工作中斷或者不正常時(shí)，蓄電池電壓被加到直流總線上，通過由智能功率模塊組成的逆變器，然后通過由LCR組成的濾波器和三相功率變壓器，形成相電壓為220 V的三相正弦交流電給負(fù)載供電。三相逆變器的開關(guān)器件采用日本富士公司型號(hào)為PM100CVA60六單元IPM智能功率模塊，其耐壓可達(dá)600 V，集電極最大允許電流100 A，安全工作區(qū)較寬，驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)頻率高、飽和壓降低。另外該模塊還具有帶過流控制、濾波器體積小、噪聲低、易散熱、可靠性高等特點(diǎn)。模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正弦脈寬調(diào)制(SPWM)信號(hào)。
功率元件智能功率模塊IGBT-IPM是以功率器件IGBT為主體，同時(shí)把驅(qū)動(dòng)電路、多種保護(hù)電路及報(bào)警電路等功能電路集成在同一模塊內(nèi)的新型混合集成電路。用智能功率模塊作為電源的功率器件，可以簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，縮小電源體積，更主要的是提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。在選用智能功率模塊IPM時(shí)，根據(jù)電壓和電流的定額選擇。功率元件的電流定額考慮(2～3)倍的安全裕量。計(jì)算電流時(shí)應(yīng)滿足在輸入電壓波動(dòng)為最低時(shí)仍能滿足輸出功率。根據(jù)給定的技術(shù)參數(shù)計(jì)算功率元件的最大輸出功率、額定電流值、額定電壓值，最終選用100 A/600 V的智能功率模塊，型號(hào)為PM100CVA60.
逆變控制器設(shè)計(jì)
控制電路的功能主要是產(chǎn)生SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。SPWM是實(shí)現(xiàn)逆變器輸出交流電壓調(diào)節(jié)、減小輸出電壓諧波的一種控制方法。利用SPWM控制構(gòu)成的逆變器調(diào)節(jié)性能好，調(diào)節(jié)速度快，可使調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動(dòng)態(tài)性能，輸出電壓波形接近正弦。為了實(shí)現(xiàn)此功能及逆變電路的數(shù)字化，本文利用單片機(jī)和專用SPWM波形發(fā)生器SA4828集成電路構(gòu)成逆變控制器。該種方法軟件編程簡(jiǎn)單，應(yīng)急電源對(duì)波形產(chǎn)生的處理時(shí)間少，并能保證波形具有較高精度，而且硬件連接簡(jiǎn)單。
1、三相SPWM波形發(fā)生器SA4828
1.1、SA4828的性能特點(diǎn)
SA4828是英國(guó)MITEL公司研制出的一種專用于三相SPWM信號(hào)發(fā)生和控制的集成電路芯片。具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡(jiǎn)單、無溫漂等優(yōu)點(diǎn)，主要用于逆變電源、變頻調(diào)速及應(yīng)急電源等工業(yè)領(lǐng)域。芯片的主要特性是：具有增強(qiáng)型微處理器接口，可與更多單片機(jī)兼容;可以單獨(dú)調(diào)整各相輸出，可以用于任意不平衡負(fù)載;內(nèi)置“看門狗”定時(shí)器進(jìn)行監(jiān)控，程序運(yùn)行安全可靠;提供了軟復(fù)位控制功能;調(diào)制波頻率采用16位，增加了頻率的分辨率，提高了逆變器輸出頻率的精度;片內(nèi)ROM提供三種可供選擇的波形，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合，其中能提供的純正弦波可用于靜止逆變電源和單相交流調(diào)速。
1.2、SA4828的工作原理
SA4828原理框圖如圖3所示。它接收并存儲(chǔ)微處理器初始化命令和控制命令，主要由總線控制、地址/數(shù)據(jù)總線、存儲(chǔ)器、控制寄存器組成，以控制字的形式實(shí)現(xiàn)。三相輸出控制電路的每相輸出控制電路由脈沖取消和脈沖延時(shí)電路構(gòu)成，脈沖取消將脈沖寬度小于取消時(shí)間的脈沖去掉，延時(shí)電路保證死區(qū)間隔，以防止在轉(zhuǎn)換瞬間橋路開關(guān)器件出現(xiàn)直通現(xiàn)象。
圖3：SA4828原理
三種不同波形的選擇通過傳輸給初始化寄存器和控制寄存器的命令來設(shè)置三種波形ROM.“看門狗”電路在接受單片機(jī)發(fā)出的命令時(shí)，一旦出現(xiàn)問題，總線控制會(huì)發(fā)出復(fù)位“看門狗”信號(hào)，使“看門狗”延時(shí)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)。SA4828增設(shè)了8個(gè)寄存器單元以提高頻率精度及能獨(dú)立控制三相波形幅值。系統(tǒng)進(jìn)行初始化時(shí)，微處理器通過SA4828內(nèi)部的總線控制和譯碼電路向其初始化寄存器中寫數(shù)據(jù)，完成載波頻率、調(diào)制頻率的范圍、脈沖延遲時(shí)間及計(jì)數(shù)器復(fù)位的設(shè)置。在運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)地向控制寄存器中寫數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制波頻率、調(diào)制波幅值、正/反轉(zhuǎn)、過調(diào)制、輸出禁止等參數(shù)的刷新，使RPHT，RPHB，YPHT，YPHTB，BPHTB，BPHT6個(gè)引腳輸出的SPWM信號(hào)發(fā)生改變。
2、控制電路硬件設(shè)計(jì)
以SA4828與單片機(jī)C8051F020為核心構(gòu)成的控制器電路設(shè)計(jì)如圖4所示。控制電路根據(jù)給定的參數(shù)輸出三相SPWM信號(hào)給智能功率模塊IP-M，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率晶體管的通斷控制。C8051F020通過8位P0端口與SA4828的地址、數(shù)據(jù)管腳AD0～AD7相連，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)壓控制。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)隔離送入C8051F020單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口即P3.0口，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。從RPHT～BPHB的6個(gè)引腳輸出相應(yīng)頻率和電壓的SPWM控制信號(hào)，經(jīng)隔離電路后，分別控制智能功率模塊IPM的6個(gè)IGBT的導(dǎo)通與截止，最后在3個(gè)輸出端上產(chǎn)生對(duì)稱的三相SPWM電壓。SA4828作為單片機(jī)的外設(shè)，與單片機(jī)并聯(lián)，通過對(duì)單片機(jī)編程，只需將SPWM的初始化信息和控制信息寫入SA4828的相關(guān)寄存器，即產(chǎn)生精確的全數(shù)字化的三相的SPWM波形。
圖4：SA4828的接口
3、控制電路軟件設(shè)計(jì)
軟件是逆變器控制系統(tǒng)的核心，它決定逆變器的輸出特性。SA4828產(chǎn)生SPWM信號(hào)的程序流程如圖5所示。
對(duì)SA4828芯片的控制是通過微處理器接口將相應(yīng)的參數(shù)送入芯片內(nèi)部的2個(gè)48位的寄存器R14，R15來實(shí)現(xiàn)的，它們是初始化寄存器和控制寄存器。數(shù)據(jù)先被讀入一系列臨時(shí)寄存器R0～R5中，然后通過一條虛擬的寫操作將數(shù)據(jù)傳送至相應(yīng)的R14，R15寄存器。單片機(jī)先將SA4828復(fù)位，向其傳送初始化參數(shù)和控制參數(shù)后，SA4828即可以輸出SPWM波，逆變器隨后處于工作狀態(tài)。同時(shí)單片機(jī)不斷查詢輸出狀態(tài)，以便隨時(shí)調(diào)整SPWM輸出特性。對(duì)SA4828芯片的控制是通過微處理器接口將相應(yīng)的參數(shù)送入芯片內(nèi)部的兩個(gè)48位初始化寄存器R14和控制寄存器R15來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)先被讀入臨時(shí)寄存器R0～R5中，然后通過一條虛擬的寫操作將數(shù)據(jù)傳送至相應(yīng)的R14，R15寄存器。只要系統(tǒng)正常工作，看門狗定時(shí)器就不斷被更新，以防止其溢出而中斷SPWM輸出。逆變器控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖6所示。
圖5：SA4828產(chǎn)生SPWM信號(hào)流程圖
圖6：逆變器控制系統(tǒng)
單片機(jī)在初始化程序中完成對(duì)單片機(jī)、SA4828以及其他可編程器件的初始化，接著對(duì)市電進(jìn)行檢測(cè)，如果市電不正常，則啟動(dòng)逆變器工作，通過控制將開關(guān)元件切換至逆變器輸出。并將輸入狀態(tài)存入控制寄存器，顯示數(shù)據(jù)，如果輸出電壓或保護(hù)等發(fā)生改變，則報(bào)警輸出以采取措施使系統(tǒng)正常運(yùn)行。
4.結(jié)語(yǔ)
逆變主電路采用的智能功率模塊不僅使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且使得出現(xiàn)的浪涌電壓、門極振蕩、噪聲引起的干擾等問題能有效得到控制。三相逆變電路SPWM控制方法，利用專用SPWM產(chǎn)生器和單片機(jī)構(gòu)成逆變器的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制電路使用器件少，因而可降低成本、提高可靠性。
