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(guò)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(kāi)發(fā)周期，使生成信號(hào)簡(jiǎn)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(chēng)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)介
SA828是MITEL公司近年來(lái)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]?；鶞?zhǔn)正弦是存儲(chǔ)在SA828內(nèi)部的ROM正弦表。當(dāng)寫(xiě)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(guò)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(guò)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(lái)生成SPWM信號(hào)，這樣外圍的硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)潔。由于ADC0809片內(nèi)無(wú)時(shí)鐘，單片機(jī)時(shí)鐘為12M，從ALE引腳輸出為4分頻后滿(mǎn)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(lái)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(mǎn)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(lái)不及開(kāi)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)?/p>
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(jiǎn)化程序算法，縮短軟件時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，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(mǎn)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)?/p>
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(guò)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(yǔ)
用SA828生成SPWM信號(hào)，程序簡(jiǎn)單，波形一致性好，采用全橋電路，無(wú)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。