SA828在航空電源中的應(yīng)用

摘要：闡述了以SA828為核心組成的航空逆變電源的設(shè)計(jì)，通過對(duì)SA828生成SPWM信號(hào)的原理進(jìn)行分析，詳細(xì)討論了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方法。功率為4kW的樣機(jī)證明，效果良好。

關(guān)鍵詞：逆變電源；集成電路SA828；正弦脈寬調(diào)制

1? 引言

??? 航空電源一般都是將直流或交流（380V/50Hz）電逆變成交流115V/400Hz電源，以供雷達(dá)、飛機(jī)等設(shè)備使用。完成該變換的方法有多種，但由于其生成SPWM信號(hào)較復(fù)雜，造成航空逆變電源的整體性能下降，并易出現(xiàn)變壓器偏磁和輸出諧波含量大的缺陷。而采用大規(guī)模數(shù)字集成芯片SA828，通過單片機(jī)與SA828的接口生成SPWM信號(hào)，則不需改變外圍電路就能重新設(shè)置載波頻率、調(diào)制頻率、死區(qū)時(shí)間，從而減小了硬件開發(fā)周期，使生成信號(hào)簡潔可靠，避免了分立元器件的離散性，提高了輸出波形的品質(zhì)因數(shù)。它克服了HEF4752調(diào)制頻率低，SLE4520單邊調(diào)制產(chǎn)生波形不對(duì)稱的缺點(diǎn)，是SA818、SLE4520、HEF4752等波形發(fā)生器的理想替代品。

2? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與信號(hào)生成

2．1? 原理結(jié)構(gòu)圖

??? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路主要完成整流逆變功能。不可控整流電路對(duì)輸入電網(wǎng)電壓直接整流，通過LC濾波電路，產(chǎn)生平滑的高壓直流。逆變電路采用SPWM，濾除高頻諧波，經(jīng)變壓器隔離，輸出理想正弦波。電壓、頻率信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)經(jīng)CPU處理，送到SA828控制寄存器，產(chǎn)生SPWM信號(hào)，通過改變SA828控制寄存器輸出，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的功能。

圖1? 系統(tǒng)原理框圖

2．2? SA828功能簡介

??? SA828是MITEL公司近年來推出的三相SPWM電機(jī)控制數(shù)字集成芯片，它可以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化三相逆變器所需要的6路SPWM控制信號(hào)，屬于規(guī)則采樣雙邊調(diào)制波，很適合用于輸出為正弦波的逆變電源。該芯片雙列直插式28引腳如圖2所示。該系列有SA828－1、SA828－2兩種型號(hào)產(chǎn)品，有關(guān)寄存器各狀態(tài)位的功能以及各寄存器的使用方法參閱文獻(xiàn)[1]。基準(zhǔn)正弦是存儲(chǔ)在SA828內(nèi)部的ROM正弦表。當(dāng)寫完初始化數(shù)據(jù)后，立即生成0°－90°的正弦波。該正弦波通過相位與控制邏輯拓展形成三相6路SPWM信號(hào)。該信號(hào)再經(jīng)過取消窄脈沖電路，送到脈沖延遲電路，生成死區(qū)時(shí)間，然后送到各引腳出口。于是由內(nèi)部硬件直接產(chǎn)生SPWM信號(hào)，這樣保證SPWM信號(hào)生成的可靠性。

圖2? SA828引腳示意圖

2.3? 硬軟件設(shè)計(jì)

??? 采用AT89C51單片機(jī)與SA828配合來生成SPWM信號(hào)，這樣外圍的硬件結(jié)構(gòu)比較簡潔。由于ADC0809片內(nèi)無時(shí)鐘，單片機(jī)時(shí)鐘為12M，從ALE引腳輸出為4分頻后滿足ADC0809對(duì)時(shí)鐘頻率的要求。對(duì)電壓和頻率調(diào)節(jié)的處理采用中斷方式，當(dāng)啟動(dòng)ADC0809后，由IT1來捕獲中斷信號(hào)，經(jīng)8個(gè)時(shí)鐘周期后，轉(zhuǎn)換結(jié)束，CPU取走存入ADC0809內(nèi)部三態(tài)鎖存器中的數(shù)據(jù)。

??? SA828的SETTRIP為外部故障電路的輸出端，一旦任意一電路出現(xiàn)故障時(shí)，保護(hù)電路對(duì)SA828的6路SPWM信號(hào)進(jìn)行封鎖，這樣能很快封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保護(hù)功率單元器件。整個(gè)核心硬件原理圖如圖3所示。

圖3? 硬件原理圖

2．4? 關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置

??? 載波頻率的設(shè)計(jì)關(guān)系到濾波電路體積大小、功率模塊損耗及輸出波形品質(zhì)。為了上下兼顧，取載波頻率fCARR=11．7kHz，由式（1）得則n=2，為了滿足頻率可調(diào)（400±30Hz），調(diào)制頻率下限為零，只需設(shè)置最高即可，若m=16，由式（2）調(diào)制頻率范圍為0～488．2Hz。

??? fCARR=（1）

??? fRANGE=×m（2）

式中：K為系統(tǒng)時(shí)鐘；

????? fCARR為載波頻率；

????? fRANGE為調(diào)制頻率范圍；

????? m的范圍為2（0－6）；

????? n為分頻比，與SA828寄存器R1的載波頻率選擇字CSS狀態(tài)位相對(duì)應(yīng)，其范圍為2（0－5）。

??? 死區(qū)時(shí)間tpdy是為了避免上下臂直通而設(shè)置的延遲時(shí)間，其關(guān)系如圖4所示。有些窄脈沖可能引起功率管來不及開通，卻要立即關(guān)斷，因而設(shè)置脈沖取消時(shí)間tpd。輸出SPWM信號(hào)與脈沖取消時(shí)間tpd如圖5所示。脈沖取消時(shí)間tpd=輸出最小脈寬＋tpdy；例如，輸出最小脈寬為4μs，tpdy=4μs時(shí)，則tpd=8μs。完成初始化編程后，其中R0、R1、R2三寄存器狀態(tài)為D0H、81H、28H。

圖4? 脈沖死區(qū)時(shí)間

圖5? 脈沖取消時(shí)間

??? SA828的初始化程序?yàn)?

??? MOV??? DPTR??? ，＃0FD00H

??? MOV??? A??? ，＃0D0H??? ；8μs

??? MOVX??? @DPTR??? ，A

??? INC??? DPTR

??? MOV??? A??? ，＃81H??? ；11．7kHz，488Hz

??? MOVX??? @DPTR??? ，A

??? INC??? DPTR

??? MOV??? A??? ，＃28H??? ；4μs

??? MOVX??? @DPTR??? ，A

??? INC??? DPTR

??? INC??? DPTR

??? MOVX??? @DPTR，A??? ；R4

??? 對(duì)調(diào)壓調(diào)頻的控制，為了簡化程序算法，縮短軟件時(shí)間開銷，采用查表的方式。其A/D轉(zhuǎn)化的數(shù)值作為查表的地址。對(duì)于頻率地址，首先對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后，滿足所有數(shù)據(jù)在（350～488）Hz范圍內(nèi)，并使之在（370～430）Hz內(nèi)具有良好的線性度和可調(diào)精度。調(diào)壓調(diào)頻根據(jù)式（3）、（4）進(jìn)行計(jì)算。

??? fpower=×pfs（3）

式中：fRANGE為頻率采樣值；

?????? pfs為SA828寄存器R1的調(diào)制頻率選擇字。

??? APOWER=×100％（4）

式中：APOWER為電壓采樣值；

??? A為SA828寄存器R2的調(diào)制波幅值選擇字。

??? 控制寄存器的程序?yàn)?

??? MOV??? A，32H；頻率相對(duì)地址

??? MOV??? DPTR，＃0700H；頻率低位首地址

??? MOVC??? A，@A＋DPTR；頻率低8位數(shù)據(jù)

??? MOV??? DPTR，＃0FD00H

??? MOVX??? @DPTR，A；置SA828R0數(shù)據(jù)

??? MOV??? A，32H；頻率相對(duì)地址

??? MOV??? DPTR，＃0800H；頻率高位首地址

??? MOVC??? A，@A＋DPTR；頻率高8位數(shù)據(jù)

??? MOV??? DPTR，＃0FD01H

??? MOVX??? @DPTR，A；置SA828R1數(shù)據(jù)

??? MOV??? A，30H；電壓相對(duì)地址

??? MOV??? DPTR，＃0600H；電壓首地址

??? MOVC??? A，@A＋DPTR；電壓數(shù)據(jù)

??? MOV??? DPTR，＃0FD02H

??? MOVX??? @DPTR，A；置SA828R2數(shù)據(jù)

??? MOV??? DPTR，＃0FD03H

??? MOVX??? @DPTR，A；送控制字R3

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法制作4kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)1臺(tái)。其中直流濾波電感為6mH，為了提高產(chǎn)品的可靠性，逆變模塊采用富士6單元IPM6MBP50RA120，輸出逆變?yōu)V波電感為800μH，電容為20μF，輸出變壓器變比為250/200。輸出波形如圖6所示，縱坐標(biāo)50．0V/格；橫坐標(biāo)500．0μs/格。具體指標(biāo)如下：

??? 輸入三相??? 380（1±10％）V50Hz

??? 輸出三相??? 115（1±10％）V（400±30）Hz

??? 輸出容量4kW，過載120％，立即保護(hù)

??? 電壓穩(wěn)定度≤1％

??? 三相電壓平衡度≤1％

??? 頻率精度≤1‰

??? 三相相位差（120±2）°

??? THD≤2．5％

圖6? 115V/400Hz輸出波形

4? 結(jié)語

??? 用SA828生成SPWM信號(hào)，程序簡單，波形一致性好，采用全橋電路，無需附加偏磁電路，與智能模塊IPM相配合，是制作電機(jī)控制和小功率正弦波逆變器的理想選擇芯片。