SA8282三相PWM發(fā)生器的原理與應用

關(guān)鍵詞：PWM發(fā)生器；SA8282；微處理器

１　ＳＡ８２８２的功能特點

ＰＷＭ控制技術(shù)是通過控制電路按一定規(guī)律來控制開關(guān)管的通斷,以得到一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形并使其逼近正弦電壓波形。其方法有模擬方法和數(shù)字方法兩種，其中模擬方法的電路比較復雜,且有溫漂現(xiàn)象，會影響精度,降低系統(tǒng)的性能。數(shù)字方法則是按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點并將其存入內(nèi)存,然后通過查表及必要的計算生成ＰＷＭ波，因此數(shù)字方法受內(nèi)存影響較大,且與系統(tǒng)精度之間存在著矛盾。ＳＡ８２８２是英國ＭＩＴＥＬ公司生產(chǎn)的全數(shù)字化三相ＰＷＭ發(fā)生器，它頻率范圍寬、精度高，并可與微處理器進行接口,同時能夠完成外圍控制功能,因而可實現(xiàn)智能化。

ＳＡ８２８２采用２８腳ＤＩＰ封裝。圖１是其引腳排列圖，其各引腳的功能說明如下：

ＡＤ０～ＡＤ７：八位地址與數(shù)據(jù)復用總線，用于從微處理器接受地址與數(shù)據(jù)信息。

ＷＲ（Ｒ／Ｗ?、ＲＤ（ＤＳ）、 ＡＬＥ（ＡＳ）：此三個引腳為Ｉｎｔｅｌ（ＭＯＴＯＲＯＬＡ）控制模式；ＳＡ８２８２在工作時可自動適應Ｉｎｔｅｌ或ＭＯＴＯＲＯＬＡ控制模式，當ＡＬＥ（ＡＳ）管腳變?yōu)楦唠娖綍r，ＳＡ８２８２內(nèi)部檢測電路將自動鎖存ＲＤ（ＤＳ）線上的狀態(tài)，如果檢測結(jié)果為低電平，則采用ＭＯＴＯＲＯＬＡ控制模式；如果檢測結(jié)果為高電平，則采用Ｉｎｔｅｌ控制模式。

ＲＳＴ：復位端，低電平有效；

ＣＳ：片選輸入?該控制線可使ＳＡ８２８２與其它外圍接口芯片共享同一組總線。

ＲＰＨＴ、ＲＰＨＢ、ＹＰＨＴ、ＹＰＨＢ、ＢＰＨＴ、ＢＰＨＢ：標準ＴＴＬ電平輸出端口（即ＰＷＭ驅(qū)動信號）?可分別驅(qū)動三相逆變器的六個功率開關(guān)器件。

ＴＲＩＰ：輸出封鎖狀態(tài)指示?用于表明輸出是否被鎖存，低電平有效。

ＳＥＴ ＴＲＩＰ：關(guān)斷觸發(fā)信號輸入端,當輸入為高時, ＴＲＩＰ及六個ＰＷＭ輸出端將被迅速鎖存在低電平狀態(tài),且只有在, ＲＳＴ復位時才能解除。

ＷＳＳ：波形采樣同步端口；

ＺＰＰＢ、ＺＰＰＹ、ＺＰＰＲ：分別是三相信號的零相位脈沖輸出端。

ＣＬＫ：時鐘信號輸入端。

ＶＤＤ：＋５Ｖ偏置電源。

ＶＳＳ：接地端。

此外，ＳＡ８２８２芯片還具有以下特點：

(１)全數(shù)字化

ＳＡ８２８２與微處理器相連時?可自動適應Ｉｎｔｅｌ和ＭＯＴＯＲＯＬＡ兩種總線接口?而且編程簡捷方便。其全數(shù)字化的脈沖輸出具有很高的精度和穩(wěn)定性。

(２)工作方式靈活

ＳＡ８２８２具有六個標準的ＴＴＬ電平輸出端,可以驅(qū)動逆變器的六個功率開關(guān)器件。電路的載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制比、最小脈寬、死區(qū)時間等工作參數(shù)均可直接通過軟件設(shè)定,而不需要任何外接電路,從而降低了硬件成本。

(３)工作頻率范圍寬、精度高

ＳＡ８２８２的三角載波頻率可調(diào),當時鐘頻率為１２．５ＭＨｚ時,載波頻率最高可達２４ｋＨｚ,輸出調(diào)制頻率最高可達４ｋＨｚ,輸出頻率的分辨率為１２位。

２　工作原理

ＳＡ８２８２的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)框圖如圖２所示。它主要包括初始化命令和控制命令寄存部分、從ＲＯＭ中讀取及產(chǎn)生ＰＷＭ調(diào)制波形部分以及三相輸出控制電路等三個功能部分。

圖3

２．１ 命令寄存部分

該部分由總線控制、地址／數(shù)據(jù)總線、暫存器Ｒ０～Ｒ２、虛擬寄存器Ｒ３～Ｒ４及２４位初始化寄存器和２４位控制寄存器構(gòu)成。該部分在工作時?應首先進行初始化（從微處理器向初始化寄存器和控制寄存器輸入控制字?進行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置），然后由微處理器向兩個２４位寄存器輸入命令字，這兩個寄存器分別被稱為初始化寄存器和控制寄存器。由于總線的數(shù)據(jù)寬度被限制在８位字長，因此要想把數(shù)據(jù)送到一個２４位寄存器，應先分三次分別送到三個暫存寄存器Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２中。而數(shù)據(jù)由暫存寄存器Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２送到初始化寄存器或控制寄存器是通過虛擬寄存器Ｒ３、Ｒ４的送數(shù)寫指令來實現(xiàn)的，Ｒ３、Ｒ４實際上不存在，它們只在指令中出現(xiàn)。往Ｒ３送數(shù)的寫指令用于將數(shù)據(jù)從Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２傳送到控制寄存器，而往Ｒ４送數(shù)的寫指令則可將數(shù)據(jù)從Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２傳送到初始化寄存器。

２．２ 讀取及產(chǎn)生ＰＷＭ調(diào)制波形部分

該部分由地址發(fā)生器、波形Ｒ０Ｍ及相位和控制邏輯構(gòu)成。由于調(diào)制波形關(guān)于９０、１８０、２７０對稱?所以波形ＲＯＭ中僅保存了０～９０的波形瞬時值。工作時，ＳＡ８２８２可根據(jù)地址發(fā)生器的信號直接從波形ＲＯＭ中讀取波形數(shù)據(jù),然后通過相位控制邏輯將其組成０～３６０的完整波形和三相波形,而不需要處理器進行處理。

２．３ 三相輸出控制電路

ＳＡ８２８２中的每相輸出控制電路均由脈沖取消和脈沖延時電路構(gòu)成。脈沖取消電路用于去掉脈沖寬度小于取消時間的脈沖，以保證最小輸出脈沖寬度大于器件的開關(guān)周期。延時電路可保證死區(qū)間隔，其作用是在改變?nèi)我幌嘀袃蓚€開關(guān)器件的狀態(tài)時提供一個較短的延遲時間，以使這段時間里的兩個開關(guān)都處于關(guān)狀態(tài)，從而防止在轉(zhuǎn)換瞬間橋臂開關(guān)元件出現(xiàn)共通（兩個開關(guān)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間造成直通短路）現(xiàn)象。

３　用ＳＡ８２８２組成的靜止逆變器

３．１ 硬件組成

由ＳＡ８２８２組成的靜止逆變器的硬件結(jié)構(gòu)如圖３所示,該電路主要由以下幾個部分組成：

（１）控制電路

該逆變器的控制電路主要由ＭＣＳ－５１單片機最小系統(tǒng)、少量的外圍擴展芯片和ＳＡ８２８２三相ＰＷＭ發(fā)生器構(gòu)成。單片機用于完成對ＳＡ８２８２的初始化和輸出脈寬控制、頻率控制,同時完成開環(huán)、閉環(huán)控制算法的運算及數(shù)據(jù)處理、模擬信號與數(shù)字信號的檢測以及保護功能的邏輯判斷等。由于ＳＡ８２８２和單片機共用一個石英晶體振蕩器,故同步性能穩(wěn)定,漂移小。

（２）驅(qū)動電路

驅(qū)動電路由ＥＸＢ８４０構(gòu)成。ＳＡ８２８２輸出的ＰＷＭ信號經(jīng)驅(qū)動模塊ＥＸＢ８４０可直接驅(qū)動ＩＧＢＴ,且隔離性能好,抗干擾能力強,同時具有過流檢測及電路關(guān)斷等功能。一旦ＥＸＢ８４０檢測到過流信號,它將迅速向ＳＡ８２８２發(fā)出高電平保護信號?同時封鎖ＩＧＢＴ的驅(qū)動信號?并高速切斷電路，低速關(guān)斷ＩＧＢＴ。

（３）主電路

本系統(tǒng)的主電路為ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ逆變電路。輸入的三相交流電壓經(jīng)整流、濾波后將直流電壓供給逆變器。主開關(guān)器件用六單元ＩＧＢＴ模塊和緩沖電路來構(gòu)成三相逆變器。其輸出則采用隔離降壓變壓器,因此可滿足不同輸出電壓的要求。

３．２ 軟件設(shè)計

軟件程序設(shè)計是整個逆變器控制的核心,它決定著逆變器的輸出特性,如電壓、頻率范圍、穩(wěn)定度、諧波含量、保護功能和可靠性等。圖４為本系統(tǒng)的程序流程框圖。

在軟件的主程序中?ＳＡ８２８２初始化命令和控制命令的參數(shù)計算及設(shè)置主要用來確定頻率調(diào)節(jié)范圍、死區(qū)時間、輸出電壓幅值和中心頻率等。軟啟動決定著系統(tǒng)開機時輸出電壓由低逐漸升高的緩變過程。電壓、頻率調(diào)整主要是將Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)?經(jīng)計算處理后?去控制ＳＡ８２８２輸出的電壓和頻率。過載保護程序的作用是在外接負載達到額定負載的１２０％時,能使系統(tǒng)在延時一段時間后關(guān)閉ＳＡ８２８２，以達到關(guān)斷ＩＧＢＴ輸出的目的。短路保護程序可在外接負載大于額定負載２００％時,立即關(guān)閉系統(tǒng)。

由于本電路采用ＭＣＳ－５１單片機及三相ＰＷＭ集成電路ＳＡ８２８２來進行設(shè)計,因而其控制電路大為簡化,器件減少，結(jié)構(gòu)緊湊，同時也進一步降低了成本,提高了可靠性。