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SPWM波產生器SA4828在三相應急電源中的應用摘要:SPWM波產生器SA4828在三相應急電源中的應用原理,以及如何使用戶能夠理性的去選擇產品.文中詳細分析了SPWM波產生器SA4828的構造和工作原理以及工作特性和運行參數.關鍵詞:應急電源;EPS;應急電源工作原理;EPS特性;逆變電源;三相應急電源1前言 目前,三相應急電源大多采用正弦脈寬調制,即所謂SPWM技術.其控制電路大多采用模擬方法實現,電路比較復雜,有溫漂現象,影響精度,限制了系統的性能,以80C196MC或TMS320F240為核心組成的控制電路,能實現電源的全數字化控制,但系統較復雜,軟件工作量大,研制周期長.韋德公司生產的EPS消防應急電源采用MITEL公司生產的增強型SPWM波產生器SA4828,可與單片機連接,完成外圍控制功能,使系統更智能化.單片機只用很少的時間去控制它,因而有能力進行整個系統的檢測、保護、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生的噪音,而且簡化了主電路設計.2硬件電路設計 系統硬件電路由主電路、控制驅動電路、保護電路以及鍵盤顯示電路組成,系統框圖如圖1所示.21主電路設計 如圖1所示,三相交流輸入電壓經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的電容,組成濾波網絡.從電容兩端獲得正弦電壓輸出.22控制、驅動電路設計 控制電路以AT89C52和SA4828為核心,完成SPWM波的產生、系統的檢測、控制、更新顯示以及查詢按鍵功能.SA4828是MITEL公司專門為電機控制電路設計的三相SPWM波產生器,也可用于靜止變頻電源,它是SA8282的增強型,具有全數字化操作,輸出波形精度高;工作頻率范圍寬,輸出電源頻率可達4kHz,頻率控制精度達16位;工作方式靈活,配備微處理器接口,其工作參數:載波頻率、電源頻率、輸出幅值、死區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、三相幅值獨立可調等功能.關于SA4828的具體資料,請參閱文獻[1].本系統取SA4828的兩相四路SPWM輸出作為控制信號.圖1系統框圖 工作時,單片機首先對SA4828進行初始化,定義載波頻率,電源頻率范圍、死區、最小脈沖取消時間等參數.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.正常工作時,根據需要對SA4828的控制數據進行修改,實現系統的反饋與實時控制,以及調壓和調頻.為實現系統的穩壓功能,采用平均值反饋PI調節.輸出電壓經隔離、取樣后進行AD轉換,轉換結果參與PI運算,運算結果即為SA4828幅度控制寄存器的控制字.電壓調節時,用戶通過控制面板的電壓調節按鍵改變PI算法中電壓的給定值,通過PI調節改變輸出電壓.頻率的控制無須構成閉環,調頻時,單片機根據用戶設定直接修改SA4828頻率控制寄存器的控制字,以改變電源輸出頻率. 為能保存用戶調節結果,用戶調節后,將電壓、頻率給定值存入帶看門狗、欠壓保護的串行E2ROMX25045中,下次開機時,從中調出電壓和頻率給定值.系統采用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. 必須強調的是:SA4828對時鐘信號較敏感,CPU內部時鐘電路產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生工作時鐘,為使系統工作穩定,可使單片機與SA4828公用同一時鐘源. 本系統的驅動電路采用日本三菱公司生產的IPM驅動模塊,該模塊驅動能力強,隔離性好,內置集電極電壓檢測電路.23保護電路 本系統保護功能全面,包括集電極過壓保護、過流保護、過載保護及過熱保護.集電極過壓保護信號由驅動芯片M57959L提供;過流保護信號由霍爾傳感器取樣母線電流得到;過載保護信號通過取樣輸出電流獲得;過熱保護信號由溫度繼電器獲取.另外單片機的P23口也會輸出保護信號.各保護信號經邏輯變換后一路和SA4828的SETTRIP端相接,SETTRIP端為自動緊急保護關斷端口,當此引腳出現高電平時,SA4828會自動關斷PWM輸出,直到SA4828復位;另一路接AT89C52的P35口,當單片機查詢到此高電平時,會在軟件上作相應的保護處理,同時通過P23口輸出保護信號,再度封鎖輸出.除此之外,當單片機檢測到系統有異常情況時,也會通過P23口輸出保護信號.3軟件設計 軟件設計是系統的一項核心工作,它決定逆變電源的輸出特性,如電壓、頻率范圍及穩定度,系統的動態響應速度,保護功能的完善,工作可靠性等.系統軟件采用模塊化編程法.主程序框圖如圖2所示.單片機在初始化程序中完成對單片機、SA4828以及其它可編程器件的初始化,接著對系統進行自檢,如果正常,則進入緩啟動模塊,通過SA4828,十分容易實現緩啟動的功能,只需將SA4828幅度控制寄存器的控制字從0逐漸加到正常值.隨后進入PI調節模塊,并利用輸出電壓穩定后的時間進行鍵盤掃描、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,設計了一個軟件看門狗,如果PI調節超時,會引起軟件看門狗復位,使程序退出PI調節模塊. PI調節模塊是系統程序中最重要的模塊,它決定逆變器輸出電壓的穩定度、精度以及動態響應速度.程序框圖如圖3所示,采用帶死區的增量式PI算法,其表達式為:(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積分不靈敏區[2].為消除積分不靈敏區,在進行PI運算時先將式(1)兩邊同時除以2,采用雙字節補碼定點運算,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,而且便于編制程序.另外,在補碼運算時可能引起溢出,所以在進行補碼運算后必須進行溢出判斷. 為防止尖峰干擾,程序在AD采樣后進行了數字濾波,濾波方法為中位值濾波法[2].圖3PI調節子程序框圖4抗干擾措施 對于微機系統來說,電力系統中的環境是十分惡劣的,微機系統抗干擾措施是否得當,有可能決定設計的成敗.本系統在硬件和軟件上均采用了較強的抗干擾措施.實踐證明,設計是成功的.(1)硬件抗干擾措施如下:——穩定潔凈的電源是CPU系統工作穩定的條件,采用高品質的進線濾波器,可以極大改善系統的工作環境;——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:——設計多個軟件看門狗,用以監視整個程序和重要模塊的運行;——采用指令冗余技術,減少程序跑飛的概率;——設計軟件陷阱,將已跑飛的程序馬上拉回正常運行軌道. 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,簡化了主電路設計,大大減小了系統噪音.相信本電源有著良好的應用前景.