三相中頻電源開環控制電路設計

潘 水，劉長甲，李恒松

（1.國營洛陽丹城無線電廠，河南 洛陽 471000；2.洛陽科技職業學院，河南 洛陽 471000）

115 V/400 Hz 三相中頻電源廣泛應用于工業和國防領域，電壓和頻率參數根據使用場景的不同，在一定范圍內可調[1-2]。盡管閉環控制較為可靠，但存在成本高、參數不斷反饋修正等不足，綜合考慮性價比、需求目標等因素，開環控制屬于多數選擇[3]。

電源傳統的開環調整方式為手動調整電位器旋鈕，通過改變單片機采樣電壓來實現輸出電壓和頻率參數的調整；這種方式存在采集電壓有偏差、難以精確控制以及調整時間較長等缺點[4-5]。該文通過設置脈沖信號的數量，經單片機采集后設置電源輸出電壓和頻率，實現電源輸出參數的快速精準控制。

1 系統總體方案

三相中頻電源采用全數字化SA8282 智能化三相SPWM 波形發生器，單片機采集外部輸入的數據信號，通過總線設置SA8282 的幅值和頻率控制字，就能方便地改變電源輸出電壓和頻率[6-8]。系統主要由AT89C51 單片機、SA8282 波形發生器、82C54 定時器/計數器、X25045 看門狗電路、電壓電流采集電路、功放模塊、變壓器、脈沖信號產生電路等組成，系統組成框圖如圖1 所示。AT89C51 單片機通過82C54定時器/計數器讀取脈沖信號數量，根據對應關系計算出電源的輸出電壓和頻率，通過總線設置SA8282波形發生器產生對應電壓和頻率的三相正弦波信號，經功放模塊、變壓器隔離升壓后輸出。

圖1 系統組成框圖

三相中頻電源開環控制電路設計方法：通過設置電源面板電壓及頻率參數，由定時器和減法器將其轉換為對應數量的脈沖信號，然后發送給82C54定時器/計數器進行計數，最終由單片機進行采樣和處理，控制電源的輸出電壓和頻率。

2 硬件電路設計

硬件電路主要由電源控制電路、基準轉換電路、開環控制電路等組成。電源控制電路是整個電源的核心，主要完成開環控制脈沖信號的采集，控制SA8282 波形發生器產生對應電壓和頻率的三相正弦波。基準轉換電路完成電壓和頻率之間的準確轉換，減少傳遞誤差，保證電壓設置和頻率設置一樣準確。開環控制電路完成電源輸出電壓和頻率的設置，將其轉化成對應數量的脈沖信號，然后送給單片機采樣。

三相SPWM 發生器SA8282 由單片機通過總線進行控制[9-12]，輸出電壓和頻率的調整是通過采集外部輸入的數據信號，經單片機處理后，根據設定值和實際值的差進行PID 運算，控制SA8282 輸出的電壓和頻率。

傳統開環控制電路設計原理：將通過面板旋鈕設置的電壓和頻率參數轉換成電壓信號，單片機進行采樣后，通過軟件算法計算，設置SA8282 波形發生器的電壓和頻率。

該文開環控制電路設計原理：將通過面板撥碼開關設置的電壓和頻率參數轉換成對應數量的脈沖信號，由82C54 定時器/計數器進行采集，然后通過單片機軟件算法計算，設置SA8282 波形發生器的電壓和頻率。

兩種控制方式相比，采樣脈沖數量比采樣電壓具有更高的精度和更好的準確性，更具有控制優勢。

2.1 電源控制電路

電源控制電路主要由AT89C51 單片機、82C54定時器/計數器、SA8282 波形發生器、X25045 看門狗電路和晶振等構成。單片機對SA8282 進行初始化并對工作參數進行設定，同時完成對開環、閉環控制算法的運算和數據處理；讀取輸入狀態信號、控制指令輸出、外部中斷信號的響應以及保護功能的邏輯判斷等[13-15]。由于AT89C51 和SA8282 共用一個石英晶振，故同步性能穩定、漂移小。SA8282 可以獨立工作，只有更新運行參數時才需要單片機介入。單片機采用PID 算法[16]調節SA8282 參數，從而控制其輸出電壓，同時對變壓器輸出電壓進行閉環控制。

SA8282 工作原理如下：

1）初始化參數設置。系統工作前，先進行初始化，單片機通過控制總線、地址/數據總線向SA8282寄存器寫入載波頻率、調制波頻率、最小脈寬、死區時間等工作參數的控制字，進行參數設置。

2）產生波形。SA8282 從控制寄存器和波形存儲器讀取波形數據參數，并通過相位和控制邏輯產生三相正弦波信號。

3）三相輸出控制。輸出控制包含脈沖取消電路和脈沖延時電路，脈沖取消電路用來將脈沖寬度小于取消時間的脈沖剔除掉；脈沖延時電路用來保證死區間隔，防止出現器件同時導通的現象。

2.2 基準轉換電路

基準轉換電路主要由TL431B 基準電壓芯片、LM231 壓頻轉換器、電容、電位器和電阻等組成，電路原理圖如圖2 所示，主要實現電壓和頻率對應關系的準確轉換，保證電壓設置的準確性[17-18]。

圖2 基準轉換電路原理圖

定期使用高精度數字多用表（如Agilent34401）校準基準電壓，該電壓一方面給壓頻轉換器進行頻率校準；另一方面提供給電源作為采樣的基準電壓。定期使用高精度數字多用表標定基準頻率，使其滿足頻率控制精度要求。

2.3 開環控制電路

開環控制電路有頻率開環控制電路和電壓開環控制電路，兩種電路組成及工作原理類同，以頻率開環控制電路為例進行分析。

頻率開環控制電路主要由40192 十進制同步可逆計數器、555 定時器、撥碼開關、4081 與門、排阻、電阻、電位器和電容等構成，電路工作原理簡圖如圖3 所示。

圖3 開環控制電路原理圖

其工作原理：首先，通過撥碼開關對十進制計數器預置數進行設置，確定計數個數；然后，按壓置數開關（不自鎖），一方面使555 定時器開始起振；另一方面將預置數裝訂到十進制計數器中。555 定時器起振后持續產生脈沖，每產生一個脈沖，十進制計數器從預置數中減少一個數，此時由于借位脈沖輸出端為高電平，脈沖可以通過與門供單片機采樣；直至將預置數全部減完，產生一個借位信號，關閉與門，使脈沖信號不再輸出。

頻率數據設置：頻率可調范圍為320.0～400.0 Hz，頻率設置對應脈沖數量為3 200～4 000。以置數3 200為例，其四個十進制計數器對應的撥碼開關從高位到低位依次置數0011、0010、0000、0000；若置數4 000，其四個十進制計數器對應的撥碼開關從高位到低位依次置數0100、0000、0000、0000。

電壓數據設置：電壓可調范圍為105.0～125.0 V，電壓設置對應脈沖數量為1 050～1 250。以置數1 050 為例，其四個十進制計數器對應的撥碼開關從高位到低位依次置數0001、0000、0101、0000；若置數1 250，其四個十進制計數器對應的撥碼開關從高位到低位依次置數0001、0010、0101、0000。

3 軟件設計

3.1 軟件設計流程

軟件流程圖如圖4 所示。

圖4 軟件流程圖

軟件首先對SA8282 三相正弦波產生器進行初始化，包括設置載頻范圍及電源頻率范圍，設置初始輸出電壓為115 V、設置初始輸出頻率為400 Hz 等。

讀取外部輸入電壓設定值，將當前輸出電壓值與電壓設定值進行比較，并運用PID 增量式算法算出電壓調整量，將該數據寫入SA8282 的幅值控制寄存器中，并不斷比較二者差值，使電壓值最終保持一致。

讀取外部輸入頻率設定值，將當前輸出頻率值與頻率設定值進行比較，并運用PID 增量式算法算出頻率調整量，將該數據寫入SA8282 的頻率控制寄存器中，并不斷比較二者差值，使頻率值最終保持一致。

輸出電壓電流采集電路開始工作后，若有過壓、欠壓、過流、短路等情況發生，向單片機發送中斷信號，單片機接收到中斷信號后同步采集電壓電流信號，然后關斷輸出，根據采集的電壓電流信號判定屬于過壓、欠壓、過流、短路何種情況，并給出對應的報警提示。

設計看門狗電路，通過軟件預置系統的監控時間，時間長短根據程序的循環周期確定，監控時間比系統正常工作時最大循環周期略長。正常工作時，看門狗定時時間永遠達不到預置時間。若出現死機、程序跑飛等異常情況，在預置的時間內若沒有被清零，則輸出RESET 信號，系統復位，使其重新進入工作狀態，從而保證了系統工作的可靠性。

一個企業的運營與管理合理與否，終究還是人起作用。企業中人力資源部門作為管理員工的專職部門，更要在企業的經濟管理中發揮出激勵員工的作用。這要求企業要進行人力資源培訓，培養人資部門員工的責任道德意識和管理能力，使他們積極主動的進行人力資源工作。企業在進行人力資源管理時，一定要按照員工的優勢以及自身意愿將其安排在最適當的位置，使人員分布合理，使人資部門結構嚴謹，這樣才便于讓不同崗位的員工發揮各自的作用。

電源進入工作狀態后，系統選用電壓互感器和電流互感器實時對電源三相輸出電壓電流進行采集，分時選通后傳送給單片機進行過壓、欠壓、過流保護識別及處理。若出現電壓電流超差時，向單片機發送中斷信號，單片機實時響應并同步采集電壓電流信號，然后關斷輸出，根據采集電壓電流信號判定屬于何種情況，并給出對應的報警提示。

3.2 參數計算方法

對電源的載波頻率、調制波頻率、輸出頻率、輸出電壓等關鍵參數的計算方法進行推算。

載波頻率設定：設定字由FRS0～FRS2 三位組成，設定字m計算公式如下：

式中，fc為載波頻率，取12 kHz；fclk為時鐘頻率，取12 MHz；經計算載波頻率設定字m=2。

調制波頻率范圍設定：設定字由CSF0～CSF2 三位組成，設定字n計算公式如下：

式中，fR為調制波頻率，取512 Hz；fc為載波頻率，取12 kHz；經計算調制波頻率范圍設定字n=4。

輸出頻率設定：設定字由PFS0～PFS15 十六位組成，設定字PFS 計算公式如下：

式中，fpower為電源輸出頻率，取400.0 Hz；fR為調制波頻率范圍，取512 Hz，經計算輸出頻率設定字PFS=51 200=C800H；若fpower取360.0 Hz，經計算輸出頻率設定字PFS=46 080=B400H；若fpower取320.0 Hz，經計算輸出頻率設定字PFS=40 960=A000H。

輸出電壓設定：輸出電壓通過改變調制波幅值來改變，調制波幅值是由八位幅值選擇字（RAMP、YAMP、BAMP）來實現的，設定字AMP計算公式如下：

為保證輸出電壓滿足使用要求，對SA8282 產生的正弦波信號進行放大，經放大電路、功放模塊、隔離變壓器共放大32 倍，放大倍數通過功放模塊運放電路進行調整。

若電源輸出電壓取115.0 V，則Apower為115.0/32=3.594，經計算輸出電壓設定字AMP=183=B7H。若電源輸出電壓取105.0 V，經計算輸出電壓設定字AMP=167=A7H；若電源輸出電壓取125.0 V，經計算輸出電壓設定字AMP=199=C7H。

4 試驗數據分析

對三相中頻電源設置電壓、設置頻率、輸出電壓、輸出頻率等參數選取不同電壓、不同頻率進行了試驗測試，試驗數據如表1 所示。

表1 試驗數據

由表1 可以看出，該電源輸出電壓和頻率與設置電壓和頻率一致性較好，電壓在105.0～125.0 V 范圍內，控制精度在0.5 V 以內，頻率在320.0～400.0 Hz范圍內，控制精度在0.1 Hz 以內，頻率的控制精度優于電壓控制精度。該電源性能滿足某型測試儀規定的頻率控制精度在0.2 Hz 以內，電壓控制精度在2.9 V 以內的要求。

由于SA8282 輸出頻率控制字為十六位，所以頻率控制精度很高；輸出電壓控制字為八位，所以電壓控制精度略低。通過調整電源功放模塊的放大倍數，可以保證某個具體電壓值準確，但不能保證可調范圍內其他電壓值準確。

5 結束語

該文設計了一種三相中頻電源開環控制電路，利用單片機計數準確的優勢，通過控制脈沖信號的數量，實現電源輸出電壓和頻率的快速準確控制；采用對基準電壓和壓頻轉換電路定期校準的方法，減少傳遞誤差，從而實現電源電壓的精確控制。試驗結果表明，該電源電壓在105.0～125.0 V 范圍內，控制精度達到0.5 V，頻率在320.0～400.0 Hz 范圍內，控制精度達到0.1 Hz，電壓控制精度略顯不足。