三相SPWM产生器SA8282在静止逆变器中的应用

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1引言
　　随着电力电子技术的不断发展和电力电子产品的不断更新，脉宽调制技术得到了越来越广泛的应用。通常采用的方法有两种，即模拟法和数字法。模拟电路较复杂，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学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PWM波，但数字法受内存影响较大，不能保证系统的精度。SA828、838系列三相、单相PWM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时间去控制它，因而有能力进行整个系统的检测、保护、控制等。本文介绍了采用三相PWM产生器SA8282来研制静止逆变器。
　　2功能简介
　　21功能特点
　　SA8282专用大规模集成电路芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息。它采用独立的标准微处理器接口，成为一种通用可编程微机的外围接口芯片。
　　（1）SA8282主要特点
　　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，编程简洁、方便。全数字化的脉冲输出有很高的精度和温度稳定性；
　　②工作方式灵活SA8282有六个标准的TTL电平输出，用来驱动逆变器的六个功率开关器件。直接通过软件设定载波频率、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，节约了硬件成本；
　　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12.5MHz时，则载波频率最高可达24kHz，输出调制频率最高可达4kHz，输出频率的分辨率可达12位字长。
　　（2）管脚说明
　　SA8282有两种封装形式：28脚双列直插式封装（如图1所示）与扁平小外形封装。
　　①与微处理器接口的标准总线AD0～AD7为8位地址与数据复用总线；
　　②控制总线WR、RD、ALE采用Intel控制模式，R/WDSAS采用Motorola控制模式，CS为片选输入；
　　③输出及控制RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB为标准的TTL电平输出端，即PWM驱动信号。TRIP指示输出封锁状态，低电平有效。SETTRIP为关断触发信号输入端。当输入出现高电平时，输出脚TRIP及六个PWM输出将被迅速地锁存在低电平状态，这种封锁信号只有在RST信号作用下才能解除。

  
图1SA8282管脚图
　　④电源UDD为＋5V电源端，USS为接地端。
　　22SA8282工作原理
　　图2为SA8282原理框图，其内部主要工作原理包括三个部分：

  
图2 SA8282原理框图
　　（1）接受并存储微处理器初始化命令和控制命令
　　主要有总线控制、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位控制寄存器构成。它以控制字的形式来实现。在工作之前，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入控制字，进行系统参数设置。
　　（2）从内部ROM读取及产生PWM调制波形
　　它由地址发生器、波形ROM及相位和控制逻辑所构成。由于调制波于90°、180°、270°对称，所以波形ROM中仅存0～90°的波形瞬时值，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°的完整波形和三相波形，而不需要微处理器的帮助。
　　（3）三相输出控制电路
　　每相输出控制电路又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间的脉冲去掉。延时电路保证死区间隔，以防止在转换瞬间桥路开关器件出现直通现象。
　　3逆变器硬件电路
　　静止逆变器的硬件结构如图3所示，它主要有下列几个部分组成。

  
图3 逆变器原理框图
　　31控制电路
　　8031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。单片机除完成SA8282的初始化、输出脉宽控制、频率控制外，同时完成开环、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、保护功能的逻辑判断等。
　　由于SA8282和单片机使用同一个晶体振荡器，故同步性能稳定，漂移小。
　　32驱动电路
　　驱动电路由EXB840构成。SA8282输出PWM信号通过驱动模块EXB840直接驱动IGBT管，隔离性能好，抗干扰能力强，同时具有过流检测及切断电路等功能。一旦EXB840检测到过流信号，则快速向SA8282发出保护高电平，封锁各路IGBT驱动信号，高速切断电路，关断IGBT。

　　33主电路
　　其形式为AC/DC/AC逆变电路。将输入的三相交流电压经整流、滤波后以直流电压供给逆变器。主开关器件选用日本富士公司IGBT6单元模块，加上缓冲电路构成本系统三相逆变器，输出采用隔离降压变压器，满足不同输出电压的要求。

       4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，可靠性等。图4为本系统的程序流程图。

  
图4 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。
　　软起动为系统开机时输出电压由低逐渐升高的缓变过程。如图5(a)所示。
　　电压、频率调整是将A/D转换的数据经计算处理后，去控制SA8282输出的电压、频率。当外接负载达到额定负载120％时，系统延时一段时间后起动过载保护程序，关断SA8282，达到封闭IGBT的目的。

  
(a)电压、时间曲线(b)频率、电压曲线
图5 u(t)与f(u)曲线
　　5试验结果及结语
　　经测试静止逆变器的主要技术指标为：
　　电压稳定度1％；
　　频率稳定度0.1％；
　　总谐波含量2％；
　　过载保护达到额定负载120％，延时5分钟后关闭系统；
　　短路保护大于额定负载200％，立即关闭系统。
　　试验表明：逆变器采用8031单片机及三相PWM集成电路SA8282后，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。通过测试取得了比较理想的结果。相信SA828、838系列PWM波形产生器在变频领域有着较好的应用前景。