《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新型單相逆變電源的研制
陳耀軍,吳保芳,鐘炎平,牛全
摘要: 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)只用很少的時間去控制它,,因而有能力進(jìn)行整個系統(tǒng)的檢測、保護(hù),、控制、顯示等,。基于上述原因,,控制電路采用SA4828和AT89C52,。同時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,。
Abstract:
Key words :

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)只用很少的時間去控制它,,因而有能力進(jìn)行整個系統(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。

2硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路由主電路,、控制驅(qū)動電路、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。

21主電路設(shè)計

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磁性元件,,再在變壓器的次級并以適當(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。

22控制,、驅(qū)動電路設(shè)計

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才刷新。此外,,它還具備看門狗定時、三相幅值獨立可調(diào)等功能,。關(guān)于SA4828的具體資料,請參閱文獻(xiàn)[1],。本系統(tǒng)取SA4828的兩相四路SPWM輸出作為控制信號。

圖1系統(tǒng)框圖

工作時,,單片機(jī)首先對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,,根據(jù)需要對SA4828的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行修改,,實現(xiàn)系統(tǒng)的反饋與實時控制,以及調(diào)壓和調(diào)頻,。為實現(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運算,,運算結(jié)果即為SA4828幅度控制寄存器的控制字,。電壓調(diào)節(jié)時,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,,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,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對時鐘信號較敏感,CPU內(nèi)部時鐘電路產(chǎn)生的時鐘信號根本不能使SA4828正常工作,,必須用獨立的外部振蕩電路產(chǎn)生工作時鐘,,為使系統(tǒng)工作穩(wěn)定,,可使單片機(jī)與SA4828公用同一時鐘源。

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

23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)信號由驅(qū)動芯片M57959L提供,;過流保護(hù)信號由霍爾傳感器取樣母線電流得到,;過載保護(hù)信號通過取樣輸出電流獲得,;過熱保護(hù)信號由溫度繼電器獲取,。另外單片機(jī)的P23口也會輸出保護(hù)信號。各保護(hù)信號經(jīng)邏輯變換后一路和SA4828的SETTRIP端相接,,SETTRIP端為自動緊急保護(hù)關(guān)斷端口,當(dāng)此引腳出現(xiàn)高電平時,,SA4828會自動關(guān)斷PWM輸出,,直到SA4828復(fù)位;另一路接AT89C52的P35口,,當(dāng)單片機(jī)查詢到此高電平時,,會在軟件上作相應(yīng)的保護(hù)處理,同時通過P23口輸出保護(hù)信號,,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,也會通過P23口輸出保護(hù)信號,。

3軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是系統(tǒng)的一項核心工作,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單片機(jī),、SA4828以及其它可編程器件的初始化,,接著對系統(tǒng)進(jìn)行自檢,,如果正常,則進(jìn)入緩啟動模塊,,通過SA4828,,十分容易實現(xiàn)緩啟動的功能,,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)計了一個軟件看門狗,,如果PI調(diào)節(jié)超時,,會引起軟件看門狗復(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運算時先將式(1)兩邊同時除以2,,采用雙字節(jié)補(bǔ)碼定點運算,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)碼運算時可能引起溢出,,所以在進(jìn)行補(bǔ)碼運算后必須進(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 

圖3PI調(diào)節(jié)子程序框圖

4抗干擾措施

對于微機(jī)系統(tǒng)來說,,電力系統(tǒng)中的環(huán)境是十分惡劣的,,微機(jī)系統(tǒng)抗干擾措施是否得當(dāng),,有可能決定設(shè)計的成敗。本系統(tǒng)在硬件和軟件上均采用了較強(qiáng)的抗干擾措施,。實踐證明,,設(shè)計是成功的。

(1)硬件抗干擾措施如下:

——穩(wěn)定潔凈的電源是CPU系統(tǒng)工作穩(wěn)定的條件,,采用高品質(zhì)的進(jìn)線濾波器,,可以極大改善系統(tǒng)的工作環(huán)境;

——PCB板走線合理趨向與分布,;

——采用硬件看門狗,,防止程序跑飛;

——去耦電容的合理配置,。

(2)軟件抗干擾措施如下:

——設(shè)計多個軟件看門狗,,用以監(jiān)視整個程序和重要模塊的運行;

——采用指令冗余技術(shù),,減少程序跑飛的概率,;

——設(shè)計軟件陷阱,將已跑飛的程序馬上拉回正常運行軌道,。

5研制結(jié)果

經(jīng)測試,,本電源的主要技術(shù)指標(biāo)為:

——輸出電壓:100V~130V可調(diào),步進(jìn)1V,,穩(wěn)定度1%;

——頻率:380~420Hz可調(diào),,步進(jìn)0.1Hz,穩(wěn)定度01%,;

——總諧波含量:≯3%,;

——過載保護(hù):過載時,最長延時10min保護(hù),,過載越重,,保護(hù)時間越短,超過額定負(fù)載20%,,立即保護(hù),;

——系統(tǒng)噪音:≯45db。

實驗表明:逆變器使用AT89C52及SA4828后,,控制電路大為簡化,,降低了成本,提高了可靠性,。主電路使用集成電感變壓器,,簡化了主電路設(shè)計,,大大減小了系統(tǒng)噪音。相信本電源有著良好的應(yīng)用前景,。

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