基于PWM調(diào)頻的三相中頻電源設(shè)計(jì)

潘水, 李恒松, 劉長甲

(1.國營洛陽丹城無線電廠, 河南, 洛陽 471000; 2.洛陽科技職業(yè)學(xué)院, 信息與數(shù)字工程學(xué)院, 河南, 洛陽 471000)

0 引言

115 V/400 Hz三相中頻電源被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[1],傳統(tǒng)的電源調(diào)頻方式主要是利用2個(gè)調(diào)頻電位器旋鈕進(jìn)行手動(dòng)粗調(diào)和細(xì)調(diào),該調(diào)整方式的偏差較大,若調(diào)整過快會引起電源保護(hù),調(diào)整過慢會延長測試時(shí)間,特別是在臨近頻率點(diǎn)時(shí)調(diào)整時(shí)間較長[2]。為提升三相中頻電源的調(diào)頻精度和速度,本文提出一種基于PWM調(diào)頻的三相中頻電源設(shè)計(jì)方案,利用單片機(jī)計(jì)數(shù)精準(zhǔn)的優(yōu)勢,通過控制PWM信號的占空比,與基準(zhǔn)信號相乘,然后由82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù),單片機(jī)根據(jù)軟件算法計(jì)算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)換值,通過設(shè)置SA8282三相正弦波發(fā)生器輸出信號頻率,進(jìn)而可以快速改變電源輸出頻率[3]。試驗(yàn)結(jié)果表明,該電源頻率受PWM信號精準(zhǔn)控制,性能明顯優(yōu)于手動(dòng)調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)總體方案

電源系統(tǒng)主要功能為輸出三相115 V/400 Hz電壓,并可根據(jù)外部輸入PWM信號改變電源輸出頻率,主要由AT89C51單片機(jī)、SA8282波形發(fā)生器、82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、X25045看門狗電路、電壓電流采集電路、功放模塊、變壓器等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。AT89C51單片機(jī)通過82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器讀取PWM信號占空比,根據(jù)占空比使用軟件算法計(jì)算出電源的輸出頻率,通過總線控制SA8282波形發(fā)生器產(chǎn)生對應(yīng)頻率的三相正弦波信號,經(jīng)功放模塊、變壓器隔離升壓至115 V。電壓電流采集電路主要完成115 V三相輸出電壓電流的采集,分時(shí)選通,再經(jīng)過壓頻轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳輸給82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,最終傳輸給單片機(jī)進(jìn)行過壓、欠壓、過流保護(hù)識別及處理。X25045看門狗電路設(shè)有一個(gè)看門狗定時(shí)器,可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間,在預(yù)置的時(shí)間內(nèi)若沒有被清零,則輸出RESET信號,使系統(tǒng)復(fù)位,避免出現(xiàn)死機(jī)、程序跑飛等異常情況,從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

SA8282波形發(fā)生器是三相中頻電源的核心,它是英國MITEL公司推出的全數(shù)字化三相正弦波發(fā)生器,工作方式靈活、輸出頻率寬、精度高,可與單片機(jī)接口直連并實(shí)現(xiàn)智能化控制[4]。通過軟件設(shè)定SA8282載波頻率、調(diào)制波頻率、最小脈寬等工作參數(shù)后,即能獨(dú)立產(chǎn)生三相正弦波信號,無需單片機(jī)參與,降低了單片機(jī)的資源占用。只有需要改變輸出頻率和電壓時(shí),才由單片機(jī)將頻率和電壓對應(yīng)的數(shù)字量寫入SA8282相應(yīng)的控制寄存器中,其余時(shí)間無須干預(yù)。使單片機(jī)可以更多地投入到輸入狀態(tài)的監(jiān)控,提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

AT89C51單片機(jī)是整個(gè)電源的控制中心,它能夠讀取外部輸入PWM信號占空比,計(jì)算輸出頻率對應(yīng)的控制字并寫入SA8282相應(yīng)的控制寄存器中,控制SA8282產(chǎn)生對應(yīng)頻率的三相正弦波信號。同時(shí),采集和處理電壓電流采集電路反饋的信號,并對看門狗電路進(jìn)行控制和響應(yīng)[5-6]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由控制電路、功放模塊、變壓器、電壓電流采集電路、電源模塊等組成。控制電路是整個(gè)電源的核心,主要完成PWM信號占空比的采集,控制SA8282波形發(fā)生器產(chǎn)生相位差為120°的三相正弦波。功放模塊將三相正弦波信號進(jìn)行功率放大,然后再經(jīng)過變壓器隔離升壓。電壓電流采集電路主要完成三相輸出電壓電流的采集,分時(shí)選通后送給單片機(jī)進(jìn)行識別及處理。電源模塊主要為單片機(jī)、信號發(fā)生器、功放等芯片器件提供所需的電源電壓。

2.1 控制電路

控制電路主要由AT89C51單片機(jī)、82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、SA8282三相波形發(fā)生器、X25045看門狗電路、晶振等構(gòu)成。電路原理圖如圖2所示。單片機(jī)對SA8282進(jìn)行初始化并對工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,同時(shí)完成對開環(huán)與閉環(huán)控制算法的運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理、讀取輸入狀態(tài)信號、控制指令輸出、外部中斷信號的響應(yīng)、保護(hù)功能的邏輯判斷等。由于AT89C51和SA8282共用一個(gè)石英晶振,故同步性能穩(wěn)定、漂移小。單片機(jī)采用PID算法調(diào)節(jié)SA8282參數(shù),從而控制其輸出電壓,同時(shí)對變壓器輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制[7]。

圖2 控制電路原理圖

SA8282引腳有3類:一類是與單片機(jī)的接口和控制引腳;另一類為波形輸出和控制引腳;最后一類為其他功能引腳。

CLK為時(shí)鐘信號輸入端,VDD為+5 V電源端,VSS為接地端。

SA8282工作原理主要包括三部分:一是初始化,完成載波頻率、調(diào)制波頻率、最小脈寬、死區(qū)時(shí)間等工作參數(shù)的設(shè)定;二是讀取正弦波輸出參數(shù),根據(jù)寄存器和存儲器中設(shè)定的幅值頻率參數(shù),產(chǎn)生三相正弦波信號;三是輸出控制電路,由脈沖取消和脈沖延時(shí)電路構(gòu)成,保證輸出正弦波信號的精度要求。

2.2 功放模塊及變壓器

功放模塊完成功率的放大[8-9],主要由LM12CLK運(yùn)算放大器(80 W)、BYT03-400高效率超快二極管、1N4148高速開關(guān)二極管、電容、電位器、電阻等組成。電路如圖3所示。功放模塊主要實(shí)現(xiàn)對SA8282產(chǎn)生的三相正弦波信號進(jìn)行功率放大。功率模塊輸入電壓為6.5 V,通過調(diào)整RP1電位器來改變運(yùn)算放大器的放大倍數(shù),使經(jīng)過變壓器隔離升壓后電壓達(dá)到115 V。

圖3 功放模塊電路

2.3 電壓電流采集電路

電壓電流采集工作主要由互感器完成[10],電路由GPT-202B電壓互感器、GCT-201電流互感器、LM239比較器、LM231電壓頻率轉(zhuǎn)換器、CD4051八選一模擬開關(guān)等器件組成,主要完成輸出電壓、輸出電流的采集。欠壓保護(hù)點(diǎn)設(shè)置在105 V,過壓保護(hù)點(diǎn)設(shè)置在125 V,過流保護(hù)點(diǎn)設(shè)置在500 mA(額定輸出電流的2倍),短路保護(hù)點(diǎn)設(shè)置在750 mA(額定輸出電流的3倍)。

當(dāng)輸出三相電壓均在105～125 V時(shí),電壓比較器不反轉(zhuǎn),單片機(jī)可正常采集電壓;當(dāng)輸出三相電壓中任意一相電壓小于105 V時(shí),欠壓比較器反轉(zhuǎn),發(fā)出中斷請求信號,單片機(jī)響應(yīng),同時(shí)采集三相電壓后關(guān)斷輸出并給出欠壓報(bào)警提示,且采樣輸出電壓過低(小于5 V)會提示缺相;當(dāng)輸出三相電壓中任意一相電壓大于125 V時(shí),過壓比較器反轉(zhuǎn),發(fā)出中斷請求信號,單片機(jī)響應(yīng),同時(shí)采集三相電壓后關(guān)斷輸出并給出過壓報(bào)警提示。

當(dāng)輸出三相電流均小于500 mA時(shí),電流比較器不反轉(zhuǎn),單片機(jī)可正常采集電流;當(dāng)輸出三相電流中任意一相電流大于500 mA時(shí),過流比較器反轉(zhuǎn),發(fā)出中斷請求信號,單片機(jī)響應(yīng),同時(shí)采集三相電流后關(guān)斷輸出并給出過流報(bào)警提示;當(dāng)輸出三相電流中任意一相電流大于750 mA時(shí),短路比較器反轉(zhuǎn),發(fā)出中斷請求信號,單片機(jī)響應(yīng),同時(shí)采集三相電流后關(guān)斷輸出并給出短路報(bào)警提示。

2.4 電源模塊

電源模塊主要由濾波器、整流橋、DC/DC變換器、三端穩(wěn)壓器(7815、7915、7805)、集成穩(wěn)壓電路LM2575、電感、電容、電阻、保險(xiǎn)絲等組成[11]。電路原理如圖4所示。電源模塊主要為單片機(jī)、信號發(fā)生器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、功放等器件提供所需的+28 V、-28 V、+15 V、-15 V、+5 V等電源電壓。AC220V交流電壓經(jīng)濾波器濾波、交直流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為直流電壓,再經(jīng)直流電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成±28 V電壓,一路提供給功放模塊使用,另一路經(jīng)三端穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換成+15 V、-15 V、+5 V等電壓,為單片機(jī)、信號發(fā)生器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等器件提供工作所需的電源電壓。

圖4 電源模塊電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主流程圖如圖5所示。軟件首先對SA8282 三相正弦波產(chǎn)生器進(jìn)行初始化,包括設(shè)置載頻范圍及電源頻率范圍、設(shè)置脈沖延時(shí)時(shí)間與脈沖取消時(shí)間、設(shè)置初始輸出電壓115 V與輸出頻率400 Hz等。讀取三相電源輸出電壓,將電壓采樣值與電壓設(shè)定值進(jìn)行比較,并運(yùn)用PID增量式算法計(jì)算出電壓調(diào)整量,將此數(shù)據(jù)寫入SA8282的控制寄存器中,達(dá)到電壓閉環(huán)實(shí)時(shí)控制。

圖5 軟件流程圖

PWM信號為脈寬調(diào)制信號,根據(jù)需要可以設(shè)置成任意占空比的脈沖信號[12]。讀取外部輸入PWM信號的占空比,根據(jù)軟件算法計(jì)算出對應(yīng)的電源輸出頻率,若頻率需要調(diào)整,可以通過總線設(shè)置SA8282的輸出頻率來調(diào)整電源的輸出頻率。

看門狗電路的預(yù)置時(shí)間是通過狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來設(shè)定的,也是根據(jù)程序的循環(huán)周期確定的,比系統(tǒng)正常工作時(shí)的最大循環(huán)周期略長。編程時(shí),在軟件合適位置加一條喂狗指令,使看門狗定時(shí)時(shí)間永遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)置時(shí)間,系統(tǒng)就不會復(fù)位;若出現(xiàn)程序跑飛等異常情況,看門狗定時(shí)時(shí)間達(dá)到預(yù)置時(shí)間,則輸出RESET信號,迫使系統(tǒng)復(fù)位,重新初始化后進(jìn)入工作狀態(tài)。

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(fā)生,則向單片機(jī)發(fā)送中斷信號,單片機(jī)收到中斷信號后同步采集電壓電流信號,然后關(guān)斷輸出,根據(jù)采集電壓電流信號判定屬于何種情況,并給出對應(yīng)的報(bào)警提示。

3.1 SA8282波形發(fā)生器參數(shù)設(shè)定

載波頻率設(shè)定:設(shè)定字由FRS0～ FRS2三位組成,設(shè)定字m計(jì)算公式如下:

(1)

式中,fc為載波頻率,取12 kHz,fclk為時(shí)鐘頻率,取12 MHz,經(jīng)計(jì)算載波頻率設(shè)定字m=2。

調(diào)制波頻率范圍設(shè)定:設(shè)定字由CSF0～ CSF2三位組成,設(shè)定字n計(jì)算公式如下:

(2)

式中,fR為調(diào)制波頻率范圍,取0～512 Hz,fc為載波頻率,取12 kHz,經(jīng)計(jì)算調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字n=4。

脈沖延時(shí)時(shí)間設(shè)定:設(shè)定字由PDY0～PDY5六位組成,設(shè)定字PDY計(jì)算公式如下:

(3)

式中,tPDY為脈沖延時(shí)時(shí)間,取5 μs,fc為載波頻率,取12 kHz,經(jīng)計(jì)算脈沖延時(shí)時(shí)間設(shè)定字PDY=32。

脈沖取消時(shí)間設(shè)定:設(shè)定字由PDT0～PDT6七位組成,設(shè)定字PDT計(jì)算公式如下:

(4)

式中,tPDT為脈沖取消時(shí)間,取10 μs,fc為載波頻率,取12 kHz,經(jīng)計(jì)算脈沖取消時(shí)間設(shè)定字PDT=96。

輸出頻率設(shè)定:設(shè)定字由PFS0～ PFS15十六位組成,設(shè)定字PFS計(jì)算公式如下:

(5)

式中,fpower為電源輸出頻率,取400 Hz,fR為調(diào)制波頻率范圍,取512 Hz,經(jīng)計(jì)算輸出頻率設(shè)定字PFS=51 200=C800H。若fpower取360 Hz,fR為512 Hz,則輸出頻率設(shè)定字PFS=46 080=B400H。

3.2 PWM信號采集

由于PWM信號為脈沖寬度調(diào)制信號,需要將占空比準(zhǔn)確地計(jì)算出來。取固定頻率的基準(zhǔn)信號,與PWM信號相乘,得到可采集脈沖信號,由82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器進(jìn)行采集。采集原理圖如圖6所示。

圖6 PWM信號采集原理圖

82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器采集的脈沖個(gè)數(shù)除以時(shí)鐘脈沖的總個(gè)數(shù),即可得到PWM信號的占空比。

(6)

式中,D為PWM信號占空比,C1為采樣周期內(nèi)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)脈沖個(gè)數(shù),C為采樣周期內(nèi)基準(zhǔn)信號脈沖個(gè)數(shù)。比如:基準(zhǔn)信號1 s采樣周期內(nèi)產(chǎn)生10 000個(gè)脈沖,82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器采集到了8000個(gè)脈沖,占空比為80%;基準(zhǔn)信號1 s內(nèi)產(chǎn)生10 000個(gè)脈沖,82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器采集到5000個(gè)脈沖,占空比為50%。

4 試驗(yàn)結(jié)果

在傳統(tǒng)手動(dòng)調(diào)頻和PWM調(diào)頻2種方式下,分別對三相中頻電源從400 Hz下降到 360 Hz,再從360 Hz恢復(fù)至400 Hz所需的時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)測試。試驗(yàn)情況如表1所示。

表1 調(diào)節(jié)時(shí)間測試結(jié)果

由表1可以看出,三相中頻電源采用傳統(tǒng)手動(dòng)調(diào)頻方式情況下,電源輸出頻率從400 Hz降至360 Hz所需平均時(shí)間為24.3 s,恢復(fù)至400 Hz所需平均時(shí)間為21.5 s;采用PWM程控調(diào)頻方式情況下,電源輸出頻率從400 Hz降至360 Hz所需平均時(shí)間為10.1 s,恢復(fù)至400 Hz所需平均時(shí)間為9.9 s。較手動(dòng)調(diào)頻方式,PWM調(diào)頻方式優(yōu)勢明顯。

在320～420 Hz頻率范圍內(nèi),選取6個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)頻和PWM調(diào)頻2種方式下的頻率控制精度測試。頻率測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 控制精度測試結(jié)果

由表2可以看出,三相中頻電源采用手動(dòng)調(diào)節(jié)方式的頻率平均控制誤差為0.5 Hz,采用PWM調(diào)頻的平均控制誤差在0.1 Hz內(nèi),驗(yàn)證了PWM調(diào)頻具有較高的頻率控制精度。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于PWM調(diào)頻的三相中頻電源設(shè)計(jì)方案,利用單片機(jī)計(jì)數(shù)精準(zhǔn)的優(yōu)勢,通過準(zhǔn)確采集PWM信號的占空比,單片機(jī)根據(jù)軟件算法計(jì)算出對應(yīng)的設(shè)定值,通過設(shè)置SA8282三相正弦波發(fā)生器輸出信號頻率,進(jìn)而快速改變電源輸出頻率。試驗(yàn)結(jié)果表明,該電源頻率受PWM信號精準(zhǔn)控制,電源輸出頻率在320～420 Hz范圍內(nèi)調(diào)整精度達(dá)到0.1 Hz,與手動(dòng)調(diào)節(jié)相比控制速度和精度均得到了顯著提升。