基于SA8282的三相逆變電源設計

1.引言

　　逆變器是構成交流不間斷電源（UPS）及交流變頻調速系統的核心部分，可獨立構成系統成為變頻電源裝置，逆變電源在工業(yè)上有著(zhù)廣泛的應用，而大部分逆變電源電路結構和控制軟件復雜，采用SPWM集成電路和關(guān)斷開(kāi)關(guān)設計逆變電源有較多的優(yōu)越性。英國MITEL公司的推出的新型全數字化三相SPWM發(fā)生器SA8282，輸出頻率寬、精度高，可與微處理器接口，能完成外圍控制功能和保護功能，可實(shí)現系統的智能化設計[3]。

　　本文介紹一種簡(jiǎn)單的三相逆變電源的設計，采用AT89C51單片機、SA8282波形發(fā)生器及交直交主電路構成。SA8282僅需要少量的外圍硬件，而無(wú)需復雜的軟件編程，使得本系統的電路結構簡(jiǎn)單、控制方便、性能穩定，同時(shí)設計有一定的保護電路，系統工作可靠。

2.逆變電源的系統組成及主電路設計[2]

　　電壓型逆變電源由主電路和控制器兩部分組成，如圖1所示。其中主電路采用交直交（AC/DC/AC）電源型變頻器結構，由整流器、中間濾波器、逆變器和隔離變壓器構成。輸入功率級采用簡(jiǎn)單可靠的三相橋式不可控整流器，將電網(wǎng)交流電整流成直流，經(jīng)中間濾波器濾波獲得平滑的直流電壓，逆變器開(kāi)關(guān)采用富士公司的40KHz兩單元IGBT模塊三組（六只）組成三相H橋式電路。逆變電源的輸入、輸出之間為實(shí)現電氣隔離和滿(mǎn)足輸出電壓幅度的要求，在逆變電源中必須有變壓器，對于三相變頻電源采用在輸出端接入變壓器△/Y進(jìn)行隔離變壓，以減小電源的體積和重量。

3.SA8282特性功能與結構原理

　　SA8282是全數字化三相PWM發(fā)生器，頻率范圍寬、精度高，并可與微處理器進(jìn)行接口，同時(shí)能夠完成外圍控制功能，因而可實(shí)現智能化。

3.1特性功能

　　SA8282采用28腳DIP封裝，其外部引腳和內部結構如圖2所示。各引腳的功能為，AD0～AD7是八位地址與數據復用總線(xiàn)，用于從微處理器接受地址與數據信息。¯¯W¯R(R/¯W)、¯¯R¯D(DS)、ALE(AS)三個(gè)引腳為Intel(MOTOROLA)控制模式，SA8282在工作時(shí)可自動(dòng)適應Intel或MOTOROLA控制模式，當ALE(AS)管腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，SA8282內部檢測電路將自動(dòng)鎖存¯R¯D(DS)線(xiàn)上的狀態(tài)。如果檢測結果為低電平，則采用MOTOROLA控制模式；如果檢測結果為高電平，則采用Intel控制模式。¯R¯S¯T是復位端，低電平有效；¯C¯S為片選輸入，該控制線(xiàn)可使SA8282與其它外圍接口片共享同一組總線(xiàn)。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB為標準TTL電平輸出端(即PWM驅動(dòng)信號)可分別驅動(dòng)三相逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。¯T¯R¯IP為輸出封鎖狀態(tài)指示，用于表明輸出是否被封存，低電平有效。SET TRIP是關(guān)斷觸發(fā)信號輸入端，當輸入為高時(shí)，¯T¯R¯IP及六個(gè)PWM輸出端將迅速鎖存在低電平狀態(tài)，且只有在¯R¯S¯T復位時(shí)才能解除。WSS是波形采樣同步端口；ZPPB、ZPPY、ZPPR分別是三相信號的零相位脈沖輸出端。CLX為時(shí)鐘信號輸入端。VDD是+5V偏置電源。VSS接地端。此外，SA8282芯片還具有以下特點(diǎn)：

⑴全數字化

　　SA8282與微處理器相連時(shí)，可自動(dòng)適應Intel和MOROTOLA兩種總線(xiàn)接口，而且編程簡(jiǎn)捷方便。其全數字化的脈沖輸出具有很高的精度和穩定性。

⑵工作方式靈活

　　SA8282具有六個(gè)標準的TIL電平輸出端，可以驅動(dòng)逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。電路的載波頻率、調制頻率、調制比、最小脈寬、死區時(shí)間等工作參數均可直接通過(guò)軟件設定，而不需要任何外接電路，從而降低了硬件成本。

⑶工作頻率范圍寬、精度高

　　SA8282的三角載波頻率可調，當時(shí)鐘頻率為12.5MHz時(shí)，載波頻率最高可達24kHz，輸出調制頻率最高可達4kHz，輸出頻率的分辨率為12位。

3.2結構原理

　　SA8282的內部結構和外部引腳如圖2所示。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調制波形部分以及三相輸出控制電路等三個(gè)功能部分。

⑴命令寄存器初始化及控制

　　由總線(xiàn)控制、地址/數據總線(xiàn)、暫存器R0～R2、虛擬寄存器R3～R4及24位初始化寄存器和24位控制寄存器構成。在工作時(shí)應首先進(jìn)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(jìn)行系統參數設置，然后由微處理器向兩個(gè)24位寄存器輸入命令字，這兩個(gè)寄存器分別被稱(chēng)為初始化寄存器和控制寄存器。由于總線(xiàn)的數據寬度被限制在8位字長(cháng)，因此要把數據送到一個(gè)24位寄存器，應分三次分別送到三個(gè)暫存寄存器R0、R1、R2中。而數據由暫存寄存器R0、R1、R2送到初始化寄存器或控制寄存器是通過(guò)虛擬寄存器R3、R4的送數寫(xiě)指令來(lái)實(shí)現的，R3、R4實(shí)際上不存在，只在指令中出現。向R3送數的寫(xiě)指令用于將數據從R0、R1、R2傳送到控制寄存器，而向R4送數的寫(xiě)指令則可將數據從R0、R1、R2傳送到初始化寄存器。參數設定是通過(guò)控制字形式實(shí)現。

⑵讀取ROM及產(chǎn)生PWM調制波形部分

　　由地址發(fā)生器、波形ROM及相位和控制邏輯構成。由于調制波形關(guān)于90°、180°、270°對稱(chēng)，所以波形ROM中僅保存了0～90°的波形瞬時(shí)值。工作時(shí)，SA8282可根據地址發(fā)生器的信號直接從波形ROM中讀取波形數據，然后通過(guò)相位控制邏輯將其組成0～360°的完整波形和三相波形，不需要處理器進(jìn)行處理，就可實(shí)現實(shí)時(shí)波形控制。

⑶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(shí)電路構成。脈沖取消電路用于去掉脈沖寬度小于取消時(shí)間的脈沖，以保證最小輸出脈沖寬度大于器件的開(kāi)關(guān)周期。延時(shí)電路可保證死區間隔，其作用是在改變任一相中兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)時(shí)提供一個(gè)較短的延遲時(shí)間，以使這段時(shí)間里的兩個(gè)開(kāi)關(guān)都處于關(guān)狀態(tài)，從而防止在轉換瞬間橋臂開(kāi)關(guān)元件出現共同(兩個(gè)開(kāi)關(guān)在狀態(tài)轉換期間造成直通短路)現象。

4.控制器的設計

　　逆變電源控制器如圖1所示。由單片機AT89C51、SPWM發(fā)生器SA8282、驅動(dòng)器HL402B和檢測數據采集電路ADC0809以及保護電路、顯示電路等組成，完成控制和驅動(dòng)輸出兩大功能[4]。