400Hz中频电源设计

第３３卷第５期　２００６年５月　应　Ａｐｐｌｉｅｄ　科　技　Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．５　Ｍａｖ　２Ｏ０６　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　文章编号：１００９—６７１Ｘ（２００６）０５—００５３—０３　４００　Ｈｚ中频电源设计　邢卓异，朱齐丹，陆　军　（哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨，１５０００１）　摘要：以实际１二程项目中要求的中频电源为研究对象，设计了一种基于ＳＰＷＭ技术的中频电源系统方案．系　统以单片机和ＳＰＷＭ信号发生芯片为核心，利用频率和电压反馈实现了中频电源设计．分别给出了实现本设计　方案的单片机８９Ｃ５１与信号发生器ＳＡ８２８２的接口电路、ＩＧＢＴ的驱动隔离电路、外围扩展芯片、ＳＡ８２８２内部结　构和一ｒ＝作原理和软件设计流程图．　关键词：中频电源；ＳＰＷＭ；逆变电路；相位差　中图分类号：ＴＭ９１０文献标识码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　４００　Ｈｚ　ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ＸＩＮＧ　Ｚｈｕｏ—ｙｉ，ＺＨＵ　Ｑｉ—ｄａｎ，ＬＵ　Ｊｕｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｅｔ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ，　ａ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｕｔｉｌｉｚｅｓ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　ａｎｄ　ｓｉｇｎａｌ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｏｆ　ＳＰＷＭ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂｙ￣ｅｄｂａｃｋ　ｏｆ　ｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｆａｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ａｓｐｅｃｔｓ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ：ｔｈｅ　ｂｌｏｃｋ—ｄｉａ—　ｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｏｆ　ＳＰＷＭ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　ｏｆ　８９　Ｃ５　１，ｔｈｅ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ　ｐｅｒｐｈｅｒａｌ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ＳＡ８２８２’Ｓ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；ＳＰＷＭ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｐｈａｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　高可靠和高性能的中频电源（通常为４００　Ｈｚ）　已广泛应用于航空、航天、舰船、机车、感应加热以及　雷达、通信交换机等设备中．因此，对此类电源的研　４００　Ｈｚ中频电源，技术先进，其所达到的电性能指　标及可靠性都将大大优于以往多环节的中频电源．　ＳＰＷＭ的实现方式通常有两种：一是模拟法，二是数　字法．模拟法电路较复杂，有温漂现象，影响精度，限　制了系统的性能；数字法按照不同的数字模型用计　算机算出各切换点，将其存入内存，然后通过查表及　必要的计算产生ＳＰＷＭ波．但数字法受内存影响较　大，不能保证系统的精度．Ｍｉｔｅｌ公司生产的ＳＡ系列　究具有很高的工程实用价值．文中以实际工程项目　中二三相４００　Ｈｚ中频电源为研究对象，具体技术指标　为：Ａ、Ｂ、Ｃ三相均为４００　Ｈｚ正弦波，其中Ａ、Ｂ两相　为幅值２６　Ｖ、４００　Ｈｚ相位相差９０。正弦信号；Ｃ相为　幅值７　Ｖ、４００　Ｈｚ正弦信号，相位无特殊要求．　ＰＷＭ波形产生器具有精度高、抗干扰能力强、外围　１　中频电源基本方案和系统框图　Ｉ．１　ＳＰＷＭ原理及基本方案　电路简单等优点，其中ＳＡ８２８系列ＳＰＷＭ产生器，　可与微处理器连接，完成外围控制功能，使系统智能　化，微处理器只用很少的机时去控制它，因而有能力　进行整个系统的检测、保护、控制等．基于上述原因，　决定采用ＳＡ８２８２为核心来研制ＳＰＷＭ中频电源．　１．２　４００　Ｈｚ中频电源系统设计　ＳＰＷＭ技术是一种现代先进的变频技术，其内　涵就是通过按一定的规律控制开关元件的通断，从　而获得一组等幅不等宽的矩形脉冲波形，用来产生　所需频率的正弦电压波．采用该技术来开发研制　４００　Ｈｚ中频电源方框图如图１所示．其系统的　收稿日期：２００４—１１—２９．　作者简介：邢卓异（１９８０一），男，博士研究生，主要研究方向：图像处理与伺服技术，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｕｏｙｉ０３２０＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com

・５４・　应　用　科　技　第３３卷　基本工作原理为：直流电源经过ＳＰＷＭ全桥逆变、　滤波后输出．ＣＰＵ采用Ｉｎｔｅｌ公司生产的８９Ｃ５１单片　的分辨率可达１２位字长．全数字化的脉冲输出有很　高的精度和温度稳定性．　２．２隔离驱动电路　机；ＳＰＷＭ信号发生器采用ＳＡ８２８２；混合集成驱动　电路ＥＸＢ８４１构成隔离驱动保护电路；逆变器主电　ＩＧＢＴ的栅极驱动方法很多，本方案中采用的是　路采用ＩＧＢＴ模块　。伞桥逆变　ｌ一　滤波　－４负载　Ｉ　向　ｆ　』　＿　ＳＰＷＭ信弓发生器　ｆ　１｝　　ＣＰＵ　图ｌ　４００　Ｈｚ中频电源方框图　２硬件电路设计　２．１　ＳＰＷＭ波形发生器　ＳＡ８２８２是Ｍｉｔｅｌ公司专为三相逆变电路设计的　ＳＰＷＭ波形发生器，它能产生纯正弦波，尤其与ＣＰＵ　组成的系统操作数字化，抗干扰能力强，接口简单，　通用性好．在电路不变的情况下，通过软件修改，就　可改变逆变器的性能指标，大大提高了调试效率，降　低了产品成本．其主要特点如下：　１）全数字化：ＳＡ８２８２与微处理器的连接，适用　Ｉｎｔｅｌ和Ｍｏｔｏｒｏｌａ两种总线接口，接口电路简捷．　ＳＡ８２８２与单片机８９Ｃ５１接口电路如图２所示．　Ｘ１＿ＡＬ１　ＸＴＡＬ２　ＰＯ０　ＷＲ　ＳＥＴＴＲＩＰ　黧　愿　ＡＲＤＬ　Ｅ　Ｐ０６　Ｐ２　１　ＰＳＴ　ＹＰＨＴ　ＰＯ７　ｆ　ＣＳ而　　ＹＰＨＥ　Ｖ　ｃ【／Ｓｔ）Ｌ）１　ＩＶＯ　ＲＥＳＥＴ　ｒ　Ｖ“　ＢＰＨＴ　：　ＳＡ８２８２　而　Ｐ　７６　ＡＤ７ＡＤ６　ＢＰＨＥ　Ｐ　５　ＡＤ５　ＲＰＨＴ　ＧＮＤ　Ｐ　４　～Ｄ４　Ｅ－Ａ　Ｐ　３２　Ａ　Ｄ　ＲＰＨＩ３　Ｐ　ｌ　ＡＤｌ　Ｐ　０　ＡＤＯ　ＶＤＤ　图２　ＳＰＷＭ信号发生器与８９ｃ５ｌ接口电路　２）工作方式灵活：ＳＡ８２８２有６个标准的１ＴｒＬ　电平输出，用来驱动逆变器的６个功率开关器件．可　以直接通过软件写寄存器Ｒ０、Ｒｌ、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４设定　载波频率、调制频率、调制比、最小脉宽、死区时间等　工作参数，无需任何外接电路．　３）工作频率范围宽、精度高：三角载波频率可　调，当时钟频率为ｌ２．５　ＭＨｚ时，则载波频率最高可　达２４　ｋＨｚ，输出调制频率最高可达４　ｋＨｚ，输出频率　日本富士公司推出的混合式集成化ＩＧＢＴ专用驱动　模块ＥＸＢ８４１．它是ＥＸＢ系列驱动器中高速、大容量　器件之一，集隔离、驱动和保护于一身，性能优越，充　分体现出了“最优驱动和分散保护”两原则．具体应　用电路如图３所示．　ＥＲＡ３４－ｌＯ　驱动　．，童　ＲＧ　绞线　、　　ｌｃｃ过流保护输…—　二　一　了）　｛ｉＴＬＰ５２１　Ｉ　隔离电源　图３　ＩＧＢＴ驱动隔离电路　２．３　单片机最小系统及外围扩展芯片　８９Ｃ５１单片机最小系统及少量的扩展外围芯片　和ＳＡ８２８２三相ＰＷＭ产生器构成本系统控制电路．　单片机完成对ＳＡ８２８２的初始化、输出脉宽控制、频　率控制，同时完成开环和闭环控制算法的运算及数　据处理、模拟信号与数字信号的检测、保护功能和逻　辑判断等．８９Ｃ５１单片机有４０条引脚，共分为端口　线、电源线、控制线３类．其中端口线分为４组，即　Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３，系统中仅用Ｐ０口和Ｐ１口进行数据　交换，Ｐ０口主要用于ＡＤＣ０８０９之间进行数据交换，　构成电压反馈．Ｐ１口主要用于给ＳＡ８２８２传输初始　化数据并根据运算的结果调整ＳＡ８２８２的输出．　Ｐ３．４口与ＳＡ８２８２的引脚２１构成频率反馈．　３　ＳＡ８２８２工作原理和系统软件设计　３．１　ＳＡ８２８２内部结构和工作原理　ＳＡ８２８２内部结构和工作原理框图如图４所示，　它按Ｘ（ｔ）＝Ａｓｉｎ　ｔｏｔ来产生ＳＰＷＭ波形，其内部主　要构成包括下面３个部分：　１）接收并存储微处理器初始化命令和控制命　令部分，它主要由总线控制、地址／数据总线、暂存器　Ｒ０．Ｒ２、虚拟寄存器Ｒ３－Ｒ４及２４位初始化寄存器和　２４位控制寄存器组成．以上是以控制字的形式来实　现．在工作之前，首先进行初始化，即从微处理器向　初始化寄存器和控制寄存器输人控制字，进行参数　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　邢卓异，等：４００　Ｈｚ中频电源设计　设置　Ｈ线Ｉ　＝地址数据总线＝仞始化寄存盐一　卞ｌ｝Ｉ　蓑消Ｈ嚣Ｈ莳蠡三制寄存器　　ＰＲＨＴ　ＰＲＨＢ　：—ｉＬ　位　ＲＣ　＿——　Ｉ　Ｒ１　于卒　ＹＰＨＴ　制　ＹＰＨＢ　Ｒ３　逻　＿＿——　Ｒ４　辑　脉　ＢＰＨＴ　ＲＳＴ　ＢＰＨＢ　ＣＬ０ＣＫ　时钟驱动　繁口　地址发牛　波）ｆＳＲＯＭｌｌ灭闭锁定　ＴＲＩＰ　图４　ＳＡ８２８２内部结构和丁作原理　２）从内部ＲＯＭ中读取及产生ＰＷＭ调制波形　的部分．它由地址发生器、波形ＲＯＭ及相位和控制　逻辑组成．由于调制波形９０。、１８０。、２７０。对称，所以　波形ＲＯＭ中仅存入０～９０。．ＳＡ８２８２根据地址发生　器的信号直接从波形ＲＯＭ中读取波形数据，然后　通过相位控制逻辑，把它组成０～３６０。正弦波．　３）三相输出控制电路每相输出控制电路义由　脉冲取消和脉冲延时电路构成．脉冲取消电路用来　将脉冲宽度小于取消时问的脉冲去掉．延时电路保　证死区间隔，以防止转换瞬间桥路开关器件出现共　同导通的现象．荤　　３．２软件设计　软件程序设计是整个逆变器控制的核心，它决　定逆变器的输出特性，如电压、频率范围及稳定度、　谐波含量、保护功能的完善以及可靠性等．图５为系　统的程序流程图．　主程序中，ＳＡ８２８２初始化命令和控制命令的参　数计算及设置．主要用于确定频率调节范围、死区时　间、输出电压幅值、中心频率等．　由于三相变频专用信号产生芯片ＳＡ８２８２三相　的相位差为１２０。．由电源技术要求知，　、　两相相　位相差却是９０。．通常的做法是利用复杂的外部电　路调整相位．不但外部电路实现起来较为复杂，同时　由于温漂等因素的存在，常常造成相位的不稳定．这　里利用２片ＳＡ８２８２，采用软件延时方法实现．即当　单片机允许第ｌ片ＳＡ８２８２输出　相和ｃ相后，单　片机延时０．６２５　ｍｓ后，允许第２片ＳＡ８２８２输出　相，这样就实现　、　两相相位相差．采用软件方法　实现　、　两相相位差，大大简化了电路结构　图５系统程序流程图　４　实验结果和结论　实验结果表明，系统方案设计实现了三相频率　稳定度为０．１％、幅值稳定度０．５％的中频电源，同　时利用软件延时的方法，实现了　、　两相相位相差　９０。．同时，系统采用８９Ｃ５１单片机和ＳＡ８２８２信号　发生器后，正弦波控制电路大为简化、器件减少、结　构紧凑，降低了成本，提高了可靠性．通过实际测试，　取得了比较理想的结果，完全符合实际系统的要求．　参考文献：　［１］江涛．一种新颖的精密陀螺电源［Ｊ］．电源技术应用，　２０００，３（３）：１０９—１１０．　［２］刘陵顺，鲁芳，姜忠山．一种高精度开关稳压电源的设　计［Ｊ］．仪表技术，２００１（４）：４５—４６．　［３］李爱文，张承慧．现代逆变技术及其应用［Ｍ］．北京：科　学出版社，２０００．　［４］叶慧贞．开关稳压电源［Ｍ］．北京：国防Ｔ业出版社，　ｌ９９４．　［５］周明宝，翟文龙．电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工业出　版社，１９９７．　［责任编辑：李雪莲］