一種新型SPWM中頻電源的研制

摘要：介紹基于PIC16C73和SA838的SPWM中頻逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)，并對SA838的工作特點(diǎn)及工作原理以及單片機(jī)控制電路、隔離驅(qū)動電路、保護(hù)及抗干擾措施等作了詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞：中頻電源 微控制器

1 引言

為適應(yīng)野外工作的需要，我們力求研制一種體積小、重量輕、可靠性高的中頻電源。逆變器采用MICROCHIP公司的PIC16C73作為CPU，單相SPWM波形發(fā)生器SA838產(chǎn)生SPWM波形，富士混合集成驅(qū)動電路EXB840構(gòu)成隔離驅(qū)動保護(hù)電路，主電路采用高壓整流模塊和IGBT模塊，組成高效智能的逆變電源。全系統(tǒng)簡潔明了，維修便捷，具有實(shí)用價(jià)值。

逆變電源載波頻率20kHz，交流輸入三相160V～260V，交流輸出單相115±2V，頻率400Hz，功率2kW，效率85％，線性負(fù)載諧波畸變率5％。

2 電源硬件電路

圖1為電源硬件結(jié)構(gòu)框圖，它有以下幾個(gè)組成部分：

2.1 小型三相發(fā)電機(jī)

該機(jī)采用普通民用三相發(fā)電機(jī)，這種產(chǎn)品技術(shù)較為成熟，目前種類齊全且價(jià)格低廉。

2.2 PIC16C73單片機(jī)控制電路

PIC單片機(jī)采用RISC結(jié)構(gòu)，具有高速度，低功耗，驅(qū)動能力強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，其低價(jià)OTP技術(shù)和小巧的體積便于用戶保密技術(shù)和產(chǎn)品商品化。PIC16C73帶有5個(gè)8位A/D口，4kEPROM，內(nèi)置看門狗。

2.3 SPWM波形發(fā)生器

常規(guī)的脈寬調(diào)制技術(shù)多通過模擬電路實(shí)現(xiàn)，線路復(fù)雜，溫度穩(wěn)定性欠佳，而后出現(xiàn)的數(shù)字化電路則依據(jù)預(yù)想的數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)查表進(jìn)行控制，控制精度受寫入ROM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)影響。以上方法皆調(diào)試繁瑣，工作量較大。

SA838是MITEL公司專為單相逆變電路設(shè)計(jì)的SPWM波形發(fā)生器，尤其與CPU組成的系統(tǒng)操作數(shù)字化，抗干擾能力強(qiáng)，接口簡單，通用性好。在電路不變的情況下，通過軟件修正，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。

2.4 隔離驅(qū)動電路

采用富士混合集成電路EXB840，由于其直接驅(qū)動能力不足，且容易使IGBT誤導(dǎo)通，為使IGBT正?？煽康毓ぷ?，必須增加一級互補(bǔ)驅(qū)動和提高負(fù)壓。

2.5 逆變器主電路

為防止逆變器工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾影響其它設(shè)備，特設(shè)置LC濾波器。輸入的三相電壓通過三相整流模塊，經(jīng)過兩只電解電容濾波供給半橋逆變器。為限制合閘瞬間的沖擊電流，整流模塊和電容之間串聯(lián)了100Ω電阻，合閘5s后通過繼電器短路該電阻。

2.6 顯示及報(bào)警

顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值，提示系統(tǒng)工作狀態(tài)。由LED及相關(guān)儀表組成。

3 SA838的結(jié)構(gòu)和工作原理

SA838采用MOTEL總線標(biāo)準(zhǔn)，易與大部分微處理器接口連接，運(yùn)行參數(shù)一旦設(shè)定完畢，僅當(dāng)需改變方式時(shí)，才需CPU介入，使用十分方便。

3.1 管腳說明

SA838為20腳雙列直插或扁平小外形封裝。圖2為SA838管腳標(biāo)示。

(1)MOTEL微機(jī)接口總線，其中AD0～AD7數(shù)據(jù)／地址線復(fù)用，INTEL模式中，ALE信號下降沿鎖存地址，WR上升沿寫入數(shù)據(jù)，RD空閑不用。但必須置高或與CPURD相連接，Motorola模式中，地址由AS下降沿鎖存，數(shù)據(jù)由DS下降沿寫入，片選CS供選通用，CLK為控制時(shí)鐘輸入。

(2)SPWM波形輸出口，由PWMT和PWMB組成。

(3)單相SPWM輸出及控制通道，主要包含：

1）自動緊急保護(hù)關(guān)斷口SETTRIP

2）輸出狀態(tài)指示

3）復(fù)位端口

4）電源VDD為＋5V電源端，Vss為接地端

3.2 功能特點(diǎn)

(1)全部數(shù)字化操作，輸出波形精度高，溫度穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。

(2)工作頻率范圍寬。三角波載頻率最高可選擇至24kHz(當(dāng)時(shí)鐘頻率為12.288MHz時(shí))調(diào)制頻率精度高達(dá)12位。

(3)工作方式靈活。SA838極易與CPU接口連接，其工作參數(shù)：載頻率、調(diào)制頻率、輸出幅值、脈沖取消時(shí)間、脈沖延遲時(shí)間等等，都可通過CPU很方便地寫入，并只在需改變工作方式時(shí)才刷新。

3.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3為SA838的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，SA838主要由三部分組成。

(1）接收存儲處理命令單元：由總線及其控制、寄存器R0～R4，24位初始化寄存器，24位控制寄存器組成。

(2)SPWM波形發(fā)生器：由地址發(fā)生器、波形ROM和相位控制邏輯組成。

(3)輸出通道及其保護(hù)單元：由脈沖取消、脈沖延時(shí)和關(guān)閉鎖定組成。

3.4 工作原理

SA838通過RST復(fù)位后，將微處理器傳送的各種預(yù)置參數(shù)通過寄存器R0－R4分別寫入24位初始化寄存器和24位控制寄存器，初始化寄存器中的內(nèi)容一經(jīng)設(shè)置，運(yùn)行中不能再改變，而控制寄存器中的內(nèi)容則可跟蹤控制對象的運(yùn)行狀況隨時(shí)調(diào)整。波形ROM只存有0°～90°的波形幅值，由于正弦波四象限的對稱關(guān)聯(lián)性，SA838通過相位邏輯控制，根據(jù)CPU預(yù)置參數(shù)值，即可產(chǎn)生所需的0°～360°波形，再經(jīng)過脈沖取消電路以過濾干擾脈沖，通過脈沖延時(shí)電路加入死區(qū)時(shí)間，最終兩路TTL電平的互補(bǔ)PWM波形輸出。

3.5 控制方式

根據(jù)文獻(xiàn)1確定SA838相關(guān)工作參數(shù)后，依圖4編程。

3.6 CPU對SA838工作時(shí)序控制

依照嚴(yán)格的時(shí)序進(jìn)行控制，關(guān)系到SA838能否可靠地接收CPU指令，對于SA838諸信號端口，工作流程如圖5。

必須強(qiáng)調(diào)的是：SA838對時(shí)鐘信號的強(qiáng)弱較敏感，依附CPU內(nèi)部時(shí)鐘電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號根本不能使SA838工作，必須用獨(dú)立構(gòu)造的外部振蕩電路生成工作時(shí)鐘。另外，PIC系列CPU管腳與MCS系列相比有其自身的特殊性，無法沿用SA838與MCS系列芯片的接口原則，必須深刻理解SA838的工作時(shí)序，才可能做出正確的軟硬件設(shè)計(jì)。

4 保護(hù)及抗干擾措施

4.1 保護(hù)措施

（1）硬件保護(hù)通過電流和電壓互感器對逆變器輸出監(jiān)測，EXB840對IGBT的過流過壓情況監(jiān)控，一旦受控對象異常，關(guān)機(jī)信號直接通過SA838的SETTRIP端關(guān)閉PWM輸出，并送往CPU處理。

（2）軟件保護(hù)CPU可以應(yīng)硬件電路送來的保護(hù)要求執(zhí)行關(guān)機(jī)，也可以根據(jù)自身的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立判斷。

3.2 抗干擾措施

(1)穩(wěn)定潔凈的電源是CPU系統(tǒng)工作的首要條件，采用高品質(zhì)的進(jìn)線濾波器，可以極大地改善各主要控制芯片的工作環(huán)境。

(2)PCB板走線的合理趨向和分布。

(3)利用PIC內(nèi)的Watchdogtimer防止CPU死機(jī)。

(4)對IGBT的柵極驅(qū)動電路，采用Kelvin接地。

5 逆變器控制軟件設(shè)計(jì)

控制的基本思路是：通過對輸出值的循環(huán)采樣，確認(rèn)控制對策。軟件流程如圖6。

6 試驗(yàn)情況

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，400W的離心風(fēng)機(jī)和1000W的線性負(fù)載同時(shí)作為負(fù)載，輸出正弦波失真度3％，實(shí)驗(yàn)波形見圖7(a)。

現(xiàn)場常溫實(shí)驗(yàn)，利用某裝備做復(fù)雜組合負(fù)載，工作頻率400Hz，電壓115V，電流10.62A,相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形如圖7(b)、7(c)所示，結(jié)果表明大大改善了該裝備的工作條件，達(dá)到了預(yù)期效果。