三相SPWM產(chǎn)生器SA8282在靜止逆變器中的應(yīng)用

1引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的不斷更新，脈寬調(diào)制技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。通常采用的方法有兩種，即模擬法和數(shù)字法。模擬電路較復(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)學(xué)模型用計(jì)算機(jī)算出各切換點(diǎn)，將其存入內(nèi)存，然后通過查表及必要的計(jì)算產(chǎn)生PWM波，但數(shù)字法受內(nèi)存影響較大，不能保證系統(tǒng)的精度。SA828、838系列三相、單相PWM產(chǎn)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時(shí)間去控制它，因而有能力進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、保護(hù)、控制等。本文介紹了采用三相PWM產(chǎn)生器SA8282來研制靜止逆變器。

2功能簡(jiǎn)介

2?1功能特點(diǎn)

SA8282專用大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)部包含了波形、頻率、幅值等控制信息。它采用獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口，成為一種通用可編程微機(jī)的外圍接口芯片。

（1）SA8282主要特點(diǎn)

①全數(shù)字化SA8282與微處理器的連接，適用Intel和Motorola兩種總線接口，編程簡(jiǎn)潔、方便。全數(shù)字化的脈沖輸出有很高的精度和溫度穩(wěn)定性；

②工作方式靈活SA8282有六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平輸出，用來驅(qū)動(dòng)逆變器的六個(gè)功率開關(guān)器件。直接通過軟件設(shè)定載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制比、最小脈寬、死區(qū)時(shí)間等工作參數(shù)，無需任何外接電路，節(jié)約了硬件成本；

③工作頻率范圍寬精度高三角載波頻率可調(diào)，當(dāng)時(shí)鐘頻率為12.5MHz時(shí)，則載波頻率最高可達(dá)24kHz，輸出調(diào)制頻率最高可達(dá)4kHz，輸出頻率的分辨率可達(dá)12位字長。

（2）管腳說明

SA8282有兩種封裝形式：28腳雙列直插式封裝（如圖1所示）與扁平小外形封裝。

①與微處理器接口的標(biāo)準(zhǔn)總線AD0～AD7為8位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線；

②控制總線WR、RD、ALE采用Intel控制模式，R/WDSAS采用Motorola控制模式，CS為片選輸入；

③輸出及控制RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平輸出端，即PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。TRIP指示輸出封鎖狀態(tài)，低電平有效。SETTRIP為關(guān)斷觸發(fā)信號(hào)輸入端。當(dāng)輸入出現(xiàn)高電平時(shí)，輸出腳TRIP及六個(gè)PWM輸出將被迅速地鎖存在低電平狀態(tài)，這種封鎖信號(hào)只有在RST信號(hào)作用下才能解除。

圖1SA8282管腳圖

圖2SA8282原理框圖

④電源UDD為＋5V電源端，USS為接地端。

2?2SA8282工作原理

圖2為SA8282原理框圖，其內(nèi)部主要工作原理包括三個(gè)部分：

（1）接受并存儲(chǔ)微處理器初始化命令和控制命令

主要有總線控制、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。它以控制字的形式來實(shí)現(xiàn)。在工作之前，先進(jìn)行初始化，即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(tǒng)參數(shù)設(shè)置。

（2）從內(nèi)部ROM讀取及產(chǎn)生PWM調(diào)制波形

它由地址發(fā)生器、波形ROM及相位和控制邏輯所構(gòu)成。由于調(diào)制波于90°、180°、270°對(duì)稱，所以波形ROM中僅存0～90°的波形瞬時(shí)值，SA8282根據(jù)地址發(fā)生器的信號(hào)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，把它組成0～360°的完整波形和三相波形，而不需要微處理器的幫助。

（3）三相輸出控制電路

每相輸出控制電路又由脈沖取消和脈沖延時(shí)電路構(gòu)成。脈沖取消電路用來將脈沖寬度小于取消時(shí)間的脈沖去掉。延時(shí)電路保證死區(qū)間隔，以防止在轉(zhuǎn)換瞬間橋路開關(guān)器件出現(xiàn)直通現(xiàn)象。

3逆變器硬件電路

靜止逆變器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，它主要有下列幾個(gè)部分組成。

3?1控制電路

8031單片機(jī)最小系統(tǒng)及少量的擴(kuò)展外圍芯片和SA8282三相PWM產(chǎn)生器構(gòu)成本系統(tǒng)控制電路。單片機(jī)除完成SA8282的初始化、輸出脈寬控制、頻率控制外，同時(shí)完成開環(huán)、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)功能的邏輯判斷等。

由于SA8282和單片機(jī)使用同一個(gè)晶體振蕩器，故同步性能穩(wěn)定，漂移小。

圖3逆變器原理框圖

圖4程序流程圖

3?2驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路由EXB840構(gòu)成。SA8282輸出PWM信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)模塊EXB840直接驅(qū)動(dòng)IGBT管，隔離性能好，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)具有過流檢測(cè)及切斷電路等功能。一旦EXB840檢測(cè)到過流信號(hào)，則快速向SA8282發(fā)出保護(hù)高電平，封鎖各路IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，高速切斷電路，關(guān)斷IGBT。

3?3主電路

其形式為AC/DC/AC逆變電路。將輸入的三相交流電壓經(jīng)整流、濾波后以直流電壓供給逆變器。主開關(guān)器件選用日本富士公司IGBT6單元模塊，加上緩沖電路構(gòu)成本系統(tǒng)三相逆變器，輸出采用隔離降壓變壓器，滿足不同輸出電壓的要求。

4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4為本系統(tǒng)的程序流程圖。

主程序中，SA8282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、中心頻率等。

圖5u(t)與f(u)曲線

(a)電壓、時(shí)間曲線(b)頻率、電壓曲線

軟起動(dòng)為系統(tǒng)開機(jī)時(shí)輸出電壓由低逐漸升高的緩變過程。如圖5(a)所示。

電壓、頻率調(diào)整是將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算處理后，去控制SA8282輸出的電壓、頻率。當(dāng)外接負(fù)載達(dá)到額定負(fù)載120％時(shí)，系統(tǒng)延時(shí)一段時(shí)間后起動(dòng)過載保護(hù)程序，關(guān)斷SA8282，達(dá)到封閉IGBT的目的。

5試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)語

經(jīng)測(cè)試靜止逆變器的主要技術(shù)指標(biāo)為：

電壓穩(wěn)定度1％；

頻率穩(wěn)定度0.1％；

總諧波含量2％；

過載保護(hù)達(dá)到額定負(fù)載120％，延時(shí)5分鐘后關(guān)閉系統(tǒng)；

短路保護(hù)大于額定負(fù)載200％，立即關(guān)閉系統(tǒng)。

試驗(yàn)表明：逆變器采用8031單片機(jī)及三相PWM集成電路SA8282后，控制電路大為簡(jiǎn)化、器件減少、結(jié)構(gòu)緊湊，降低了成本，提高了可靠性。通過測(cè)試取得了比較理想的結(jié)果。相信SA828、838系列PWM波形產(chǎn)生器在變頻領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。