新型单相逆变电源的研制

新型单相逆变电源的研制  

1前言

目前，变频电源大多采用正弦脉宽调制，即所谓SPWM技术。其控制电路大多采用模拟方法实现，电路比较复杂，有温漂现象，影响精度，限制了系统的性能，以80C196MC或TMS320F240为核心组成的控制电路，能实现电源的全数字化控制，但系统较复杂，软件工作量大，研制周期长。而MITEL公司生产的增强型SPWM波产生器SA4828，可与单片机连接，完成外围控制功能，使系统智能化。单片机只用很少的时间去控制它，因而有能力进行整个系统的检测、保护、控制、显示等。基于上述原因，控制电路采用SA4828和AT89C52。同时为消除输出滤波电感的噪音，将变压器和电感集成在一起，利用输出变压器的漏感与电容组成LC低通滤波器，不但消除了输出滤波电感产生的噪音，而且简化了主电路设计。

2硬件电路设计

系统硬件电路由主电路、控制驱动电路、保护电路以及键盘显示电路组成，系统框图如图1所示。

2?1主电路设计

如图1所示，三相交流输入电压经过整流滤波后作为逆变器的输入，图中虚线部分为输出变压器。从图中可以看出，电路中没有使用分离的滤波电感。而是根据磁路集成原理，将变压器和滤波电感集成为一个磁性元件，再在变压器的次级并以适当的电容，组成滤波网络。从电容两端获得正弦电压输出。

2?2控制、驱动电路设计

控制电路以AT89C52和SA4828为核心，完成SPWM波的产生、系统的检测、控制、更新显示以及查询按键功能。SA4828是MITEL公司专门为电机控制电路设计的三相SPWM波产生器，也可用于静止变频电源，它是SA8282的增强型，具有全数字化操作，输出波形精度高；工作频率范围宽，输出电源频率可达4kHz，频率控制精度达16位；工作方式灵活，配备微处理器接口，其工作参数：载波频率、电源频率、输出幅值、死区等都可以通过微处理器很方便写入，并只需在改变工作方式时才刷新。此外，它还具备看门狗定时、三相幅值独立可调等功能。关于SA4828的具体资料，请参阅文献[1]。本系统取SA4828的两相四路SPWM输出作为控制信号。

图1系统框图

工作时，单片机首先对SA4828进行初始化，定义载波频率，电源频率范围、死区、最小脉冲取消时间等参数。然后向SA4828的控制寄存器传送电源的频率控制字和幅度控制字等参数。正常工作时，根据需要对SA4828的控制数据进行修改，实现系统的反馈与实时控制，以及调压和调频。为实现系统的稳压功能，采用平均值反馈PI调节。输出电压经隔离、取样后进行AD转换，转换结果参与PI运算，运算结果即为SA4828幅度控制寄存器的控制字。电压调节时，用户通过控制面板的电压调节按键改变PI算法中电压的给定值，通过PI调节改变输出电压。频率的控制无须构成闭环，调频时，单片机根据用户设定直接修改SA4828频率控制寄存器的控制字，以改变电源输出频率。

为能保存用户调节结果，用户调节后，将电压、频率给定值存入带看门狗、欠压保护的串行E2ROMX25045中，下次开机时，从中调出电压和频率给定值。系统采用LED显示方式，同时显示输出电压、电流和频率，显示电路以MAX7219为核心组成。

必须强调的是：SA4828对时钟信号较敏感，CPU内部时钟电路产生的时钟信号根本不能使SA4828正常工作，必须用独立的外部振荡电路产生工作时钟，为使系统工作稳定，可使单片机与SA4828公用同一时钟源。

本系统的驱动电路采用日本三菱公司生产的IGBT驱动模块M57959L，该模块驱动能力强，隔离性好，内置集电极电压检测电路。

2?3保护电路

本系统保护功能全面，包括集电极过压保护、过流保护、过载保护及过热保护。集电极过压保护信号由驱动芯片M57959L提供；过流保护信号由霍尔传感器取样母线电流得到；过载保护信号通过取样输出电流获得；过热保护信号由温度继电器获取。另外单片机的P2?3口也会输出保护信号。各保护信号经逻辑变换后一路和SA4828的SET?TRIP端相接，SET?TRIP端为自动紧急保护关断端口，当此引脚出现高电平时，SA4828会自动关断PWM输出，直到SA4828复位；另一路接AT89C52的P3?5口，当单片机查询到此高电平时，会在软件上作相应的保护处理，同时通过P2?3口输出保护信号，再度封锁输出。除此之外，当单片机检测到系统有异常情况时，也会通过P2?3口输出保护信号。

3软件设计

软件设计是系统的一项核心工作，它决定逆变电源的输出特性，如电压、频率范围及稳定度，系统的动态响应速度，保护功能的完善，工作可靠性等。系统软件采用模块化编程法。主程序框图如图2所示。单片机在初始化程序中完成对单片机、SA4828以及其它可编程器件的初始化，接着对系统进行自检，如果正常，则进入缓启动模块，通过SA4828，十分容易实现缓启动的功能，只需将SA4828幅度控制寄存器的控制字从0逐渐加到正常值。随后进入PI调节模块，并利用输出电压稳定后的时间进行键盘扫描、故障检测、更新显示等。为防止意外情况而使程序陷入死循环，设计了一个软件看门狗，如果PI调节超时，会引起软件看门狗复位，使程序退出PI调节模块。

PI调节模块是系统程序中最重要的模块，它决定逆变器输出电压的稳定度、精度以及动态响应速度。程序框图如图3所示，采用带死区的增量式PI算法，其表达式为：（1）

式中：Δu(K)=(KP＋KI)e(K)－KPe(K－1)[2]

受运算字长的限制，而采样周期又很小，增量式算法容易出现积分不灵敏区[2]。为消除积分不灵敏区，在进行PI运算时先将式（1）两边同时除以2，采用双字节补码定点运算，在输出u(K)前，把PI算法算出的u(K)值左移一位作为输出值。该方法大大缩小了积分不灵敏区，而且便于编制程序。另外，在补码运算时可能引起溢出，所以在进行补码运算后必须进行溢出判断。

为防止尖峰干扰，程序在AD采样后进行了数字滤波，滤波方法为中位值滤波法[2]。

图2主程序框图

图3PI调节子程序框图

4抗干扰措施

对于微机系统来说，电力系统中的环境是十分恶劣的，微机系统抗干扰措施是否得当，有可能决定设计的成败。本系统在硬件和软件上均采用了较强的抗干扰措施。实践证明，设计是成功的。

（1）硬件抗干扰措施如下：

——稳定洁净的电源是CPU系统工作稳定的条件，采用高品质的进线滤波器，可以极大改善系统的工作环境；

——PCB板走线合理趋向与分布；

——采用硬件看门狗，防止程序跑飞；

——去耦电容的合理配置。

（2）软件抗干扰措施如下：

——设计多个软件看门狗，用以监视整个程序和重要模块的运行；

——采用指令冗余技术，减少程序跑飞的概率；

——设计软件陷阱，将已跑飞的程序马上拉回正常运行轨道。

5研制结果

经测试，本电源的主要技术指标为：

——输出电压：100V～130V可调，步进1V，稳定度1％；

——频率：380～420Hz可调，步进0.1Hz，稳定度0?1％；

——总谐波含量：≯3％；

——过载保护：过载时，最长延时10min保护，过载越重，保护时间越短，超过额定负载20％，立即保护；

——系统噪音：≯45db。

实验表明：逆变器使用AT89C52及SA4828后，控制电路大为简化，降低了成本，提高了可靠性。主电路使用集成电感变压器，简化了主电路设计，大大减小了系统噪音。相信本电源有着良好的应用前景。