半液浮速率陀螺的供電電源設(shè)計(jì)

以實(shí)際工程項(xiàng)目中半液浮速率陀螺供電電源為研究對(duì)象。介紹了SPWM技術(shù)的基本原理，給出了基于SPWM技術(shù)所設(shè)計(jì)的陀螺電源的基本方案和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方框圖。提出了一種基于時(shí)序?qū)崿F(xiàn)逆變電源的三相任意角度差的方法。同時(shí)，分別給出了單片機(jī)89S52與信號(hào)發(fā)生器SAZ4828的接口電路、IGBT的驅(qū)動(dòng)隔離電路、外圍擴(kuò)展芯片、SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理以及軟件設(shè)計(jì)流程圖。
關(guān)鍵詞：半液浮速率陀螺；正弦波脈寬調(diào)制；陀螺電源

O 引言
陀螺供電電源一般為中頻(常用的為400Hz)的單相或者三相變頻電源。同時(shí)，這類電源廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船、機(jī)車、感應(yīng)加熱以及雷達(dá)、通信交換機(jī)等設(shè)備中。因此，對(duì)此類電源的研究具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。本文以某型導(dǎo)彈中半液浮速率陀螺為研究對(duì)象，利用SPWM技術(shù)給出了半液浮速率陀螺電源的解決方案。同時(shí)，提出了基于時(shí)序?qū)崿F(xiàn)逆變電源的三相任意角度差的方法，大大化簡(jiǎn)了實(shí)現(xiàn)角度差。

半液浮速率陀螺電源設(shè)計(jì)方案
本文研究的半液浮速陀螺電源的具體技術(shù)指標(biāo)如表1所列。

1．1 SPWM原理及基本方案
SPWM技術(shù)是一種先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)，其內(nèi)涵就是通過(guò)按一定的規(guī)律控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而獲得一組等幅不等寬的矩形脈沖波形，用來(lái)產(chǎn)生所需頻率的正弦電壓波。采用該技術(shù)開(kāi)發(fā)研制的400Hz中頻電源，技術(shù)先進(jìn)，其所達(dá)到的電性能指標(biāo)及可靠性都將大大優(yōu)于以往多環(huán)節(jié)的中頻電源。SPWM的實(shí)現(xiàn)方式通常有兩種：一是模擬法，二是數(shù)字法。模擬法電路較復(fù)雜，有溫漂現(xiàn)象，影響精度，限制了系統(tǒng)的性能；數(shù)字法按照不同的數(shù)字模型用計(jì)算機(jī)算出各切換點(diǎn)，將其存人內(nèi)存，然后通過(guò)查表及必要的計(jì)算產(chǎn)生SPWM波。但數(shù)字法受內(nèi)存影響較大，不能保證系統(tǒng)的精度。Mitel公司生產(chǎn)的SA系列PWM波形發(fā)生器具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其中SA4828系列SPWM發(fā)生器，可與微處理器連接，完成外圍控制功能，使系統(tǒng)智能化，微處理器只用很少的機(jī)時(shí)去控制它，因而有能力進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、保護(hù)、控制等?；谏鲜鲈?，我們決定采用SA4828為核心來(lái)研制SPWM中頻電源。

1．2 半液浮速率陀螺電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
半液浮速率陀螺供電電源如圖1所示。

其系統(tǒng)的基本工作原理為：直流電源經(jīng)過(guò)SPWM全橋逆變、濾波隔離后輸出，系統(tǒng)采用幅值反饋和頻率反饋實(shí)現(xiàn)陀螺供電電源的幅值和頻率的穩(wěn)定。CPU采用Intel公司生產(chǎn)的89S52單片機(jī)；SPWM信號(hào)發(fā)生器采用SA4828；混合集成驅(qū)動(dòng)電路EXB841構(gòu)成隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路；逆變器主電路采用IGBT模塊。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 SPWM波形發(fā)生器
SA4828是Mitel公司專為三相逆變電路設(shè)計(jì)的SPWM波形發(fā)生器，它能產(chǎn)生純正弦波，尤其與CPU組成的系統(tǒng)操作數(shù)字化，抗干擾能力強(qiáng)，接口簡(jiǎn)單，通用性好，可以與不同接口的微控制器相連。在電路不變的情況下，通過(guò)軟件修改，就可改變逆變器的性能指標(biāo)，大大提高了調(diào)試效率，降低了產(chǎn)品成本。其主要特點(diǎn)如下所述。

1)全數(shù)字化 SA4828與微處理器的連接，適用多種微處理器，接口電路簡(jiǎn)捷。SA4828與單片機(jī)89S52接口電路如圖2所示。

2)工作方式靈活 SA4828有6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TEL電平輸出，用來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變器的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件?？梢灾苯油ㄟ^(guò)軟件寫(xiě)寄存器R0、R1、R2、R3、R4、R14、R15設(shè)定載波頻率、調(diào)制頻率、凋制比、最小脈寬、死區(qū)時(shí)間、幅值等工作參數(shù)，無(wú)需任何外接電路。

3)工作頻率范圍寬、精度高 三角載波頻率可調(diào)，載波頻率最高可達(dá)24kHz，輸出調(diào)制頻率最高可達(dá)4 kHz，輸出頻率的分辨率可達(dá)16位字長(zhǎng)；全數(shù)字化的脈沖輸出有很高的精度和溫度穩(wěn)定性。

2．2隔離驅(qū)動(dòng)電路
IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)方法有很多，本方案采用日本富士公司推出的混合式集成化IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊EXB841。它是EXB系列驅(qū)動(dòng)器中高速、大容量器件之一，集隔離、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一身，性能優(yōu)越，充分體出了“最優(yōu)驅(qū)動(dòng)和分散保護(hù)”兩原則。具體應(yīng)用電路如圖3所示。

2．3 單片機(jī)最小系統(tǒng)及外圍擴(kuò)展芯片
89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)及少量的擴(kuò)展外圍芯片和SAZ4828三相PWM發(fā)生器構(gòu)成本系統(tǒng)控制電路。單片機(jī)完成對(duì)SA4828的初始化、輸出脈寬控制、頻率控制，同時(shí)完成開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制算法的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)、保護(hù)功能和邏輯判斷等。89S52單片機(jī)有40條引腳，共分為端口線、電源線、控制線3類。其中端口線分為4組即P0，P1，P2，P3，系統(tǒng)中僅用P0口和P1口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，P0口主要用于ADC0809之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，構(gòu)成電壓反饋。P1口主要用于給SA4828傳輸初始化數(shù)據(jù)，并根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果調(diào)整SA4828的輸出。P3、4口與SA4828的引腳21構(gòu)成頻率反饋。

3 SA4828工作原理和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理
SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖如圖4所示，

它按X(t)=Asinωt來(lái)產(chǎn)生SPWM波形。由于SA4828的主要工作原理大部分與SA8282類似，這里不再贅述?，F(xiàn)將SA4828特殊的原理解釋如下。

1)3種不同波形的選擇主要是通過(guò)給初始化寄存器和控制寄存器傳輸命令，來(lái)設(shè)置三相波形ROM。它分別為正弦、增強(qiáng)、高效3種波形，使之能應(yīng)用于各種特殊的場(chǎng)合。

2)“看門(mén)狗”電路 SA4828在接收單片機(jī)發(fā)出的命令時(shí)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，總線控制會(huì)發(fā)出復(fù)位“看門(mén)狗”信號(hào)，使“看門(mén)狗”延時(shí)關(guān)斷輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3)8個(gè)寄存器單元為了提高頻率精度，以及能獨(dú)立控制三相波形幅值，SA4828增設(shè)了8個(gè)寄存器單元，單元地址及說(shuō)明見(jiàn)表2。

在傳輸初始化命令時(shí)，寫(xiě)入以R5為“看門(mén)狗”延時(shí)控制字。當(dāng)傳輸控制命令時(shí)，寫(xiě)入R0、R1為16位頻率控制字，寫(xiě)入R3、R4、R5分別為三相輸出波形幅值控制字。上述設(shè)置和調(diào)整，均通過(guò)地址／數(shù)據(jù)總線、寄存器單元，存人初始化寄存器和控制寄存器來(lái)完成。

3．2 軟件設(shè)計(jì)
軟件程序設(shè)計(jì)是整個(gè)逆變器控制的核心，它決定逆變器的輸出特性，如電壓、頻率范圍及穩(wěn)定度、諧波含量、保護(hù)功能的完善，可靠性等。圖5為本系統(tǒng)的程序流程圖。

主程序中，SA4828初始化命令和控制命令的參數(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(shí)間、輸出電壓幅值、中心頻率、幅值等。

由陀螺電源技術(shù)要求(表1)知，陀螺電機(jī)供電電源要求A、B兩相相位差90度。這里，采用軟件延時(shí)方法實(shí)現(xiàn)。即當(dāng)A相輸出后延時(shí)O．625 ms，B相輸出，實(shí)現(xiàn)A、B兩相相位差90度。

這里提出了基于時(shí)序方法實(shí)現(xiàn)三相電源中任意兩相的任意角度差。解決了逆變電源中難于實(shí)現(xiàn)任意兩相實(shí)現(xiàn)任意角度差的難題。大大簡(jiǎn)化了逆變電源中任意兩相實(shí)現(xiàn)任意角度差的繁瑣工作和大量的外圍電路。但是，帶來(lái)若干好處的同時(shí)也帶來(lái)了一些問(wèn)題。譬如，本系統(tǒng)中需要2片SA4828實(shí)現(xiàn)A、B兩相相位差90度，一定程度上提高了系統(tǒng)的成本。但是，由于SA4828目前的應(yīng)用較為廣泛，其市場(chǎng)的價(jià)格也是比較低廉的。綜合考慮，利用SA4828軟件延時(shí)功能實(shí)現(xiàn)逆變電源中任意兩相任意角度差仍然是最佳的選擇方案。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)較好地實(shí)現(xiàn)了半液浮速率陀螺對(duì)供電電源的要求。實(shí)現(xiàn)了三相頻率穩(wěn)定度為O.l％、幅值穩(wěn)定度O．1％的高精密中頻電源。利用軟件延時(shí)的方法，實(shí)現(xiàn)了A、B兩相相位差90度。同時(shí)，系統(tǒng)采用89S52單片機(jī)和SA8282信號(hào)發(fā)生器后，正弦波控制電路大為簡(jiǎn)化，元器件減少，結(jié)構(gòu)緊湊，降低了成本，提高了可靠性。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，取得了比較理想的結(jié)果，完全符合實(shí)際系統(tǒng)的要求。