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高精度三相PWM波形产生器SA4828在逆变器中的应用

摘要:SA4828是Mitel公司生产的三相PWM波开产生器,它可提供高质量,全数字的三相脉宽调制波形,而且编程简单方便,修改灵活,文中介绍SA4828的原理及其应用在逆变器中的软、硬件设计方法。

 
1 引言
    脉宽调制(PWM)控制技术在逆变电路中得到广泛的应用,其波形产生方法有两种:一是模拟方法,二是数字方法。模拟方法电路结构复杂,有温漂现象,难以实现精确控制。数字方法则克服了上述缺点。MITEL公司生产的SA系统PWM波形产生器具有精度高、抗干扰能力强、外围电路简单等优点,其中SA4828是主要用于变频调速、逆变电源及UPS等工业领域的高精度PWM波形产生器。
2 SA4828的主要特点及控制方法
2.1 SA4828的主要特点

    和Mitel公司的先前产品SA828相比,SA4828主要具有以下特点:
    ● 具有增强型微处理器接口,可与更多的单片机兼容;
    ● 将调制波频率的分辨率提高到16位。
    ● 由于采用了可由用户选择的三相幅值独立控制方式,因而使得了三相逆变器可用于任意不对称负载;
    ● 有三种可供选择的波形,适用于多种应用场合;
    ● 可提供软件复位功能;
    ● 内置“看门狗"定时器以加强监控,从而提高了可靠性。
2.2 SA4828芯片的控制方法
    对SA4828的控制是通过微处理器接口将数据送入芯片和两个寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)来实现的。初始化寄存器用于设定与逆变器有关的一些基本参数,这些参数在PWM输出端允许输出前初始化,逆变器工作以后不允许改变。
    控制寄存器在工作过程中控制输出脉宽调制波的状态,从而进一步控制逆变器的运行状态。通常在工作该寄存器内容常被改写以实现实时控制。
    参数是通过8个暂存器R0、R2、R3、R4R、5R、R14、R15来传送的,初始化参数先被写入R0、R2……R5,然后通过对R14的写操作将参数送入初始化寄存器,最后再将控制参数写入R0、R1……R5,并通过对R15的写操作将参数送入控制寄存器。各控制寄存器的地址如表1所列。

表1 SA4828的寄存器地址
名  称地址功  能
R00000暂存器
R10001暂存器
R20010暂存器
R30011暂存器
R40100暂存器
R50101暂存器
R141110传送初始化参数
R151111传送控制参数
3 参数设置
3.1 初始化参数的设置
    表2为初始化参数在各个寄存器中的空间分配表。现将各参数作一说明。

表2 初始化参数空间分配表
 76543210
R0FRS2FRS1RF0  CFS2CFS1CFS0
R1×PDT6PDT5PDT4PDT3PDT2PDT1PDT0
R2××PDY5PDY4PDY3PDY2PDY1PDY0
R3××AC00×WS1WS0
R4WD15WD13WD13WD11WD11WD10WD9WD8
R5WD7WD5WD5WD4WD3WD2WD1WD0
    a. 载波频率(CFS)
    载波频率fcarr的值由下式给出:
    fcarr=fclk/(512×2 n+1)
    式中;fclk是输入的时钟频率。N的值为对应于二进制CFS值的十进制自然数0~7。
    b. 电源频率范围(FRS)
    电源频率范围frange的值由下式给出:
    frange=2 mfcarr/384 式中:m的值为与二进制的FRS值对应的十进制自然数0~6。
    c. 脉冲延迟时间(PDY)
    脉冲延迟时间tpdy的值由下式给出:
    tpdy=(63-k)/512fcarr
    式中,k的值为与二进制的PDY值对应的十进制自然数0~63。
    d. 脉冲取消时间(PDT)
    脉冲取消时间tpd由下式给出:
    tpd=(127-L)/512fcarr
    式中,L的值为与二进制的PDT值对应的十进制自然数0~127。
    e. 波形选择(WS)
    输出波形选择控制字如表3所列。

表3 波形选择表
WS1WD0波   形
00Sinusold纯正弦形
01Triplen三次谐波叠加
10Deadbanded(减少开关损耗)
11为用户预留
    f. 幅值控制(AC)
    当AC=0时,三相幅值均由R相幅值暂存器R3控制。而B相幅值暂存器R4和Y相幅值暂存器R5内容无效。
    当AC=1时,三个幅值暂存器独立控制各自的幅值,该方式适用于三相不平衡负载。
    g. 看门狗定时器的时间设置(WD)

    看门狗定时器的时间twd由下式给出:
    twd=1024TIM/fclk
    式中,fclk是输入的时钟频率,TIM是16位二进制数WD(WD15、WD14……WD0)对应的十进制数。
    如果在twd时间内未对定时器中的数据更新(表明程序执行不正常),则定时器溢出,系统关断PWM输出。
    3.2 控制参数的设置
    各控制参数在暂存器R0……R5的空间分配如表4所列。其参数说明如下:

表4 控制参数空间分配表
 76543210
R0PFS7PFS6PFS5PFS4PFS3PFS2PFS1PFS0
R1PFS15PFS14PFS13PFS12PFS11PFS10PFS9PFS9
R2RST×××WTECRINHF/B
R3RAMP7RAMP6RAMP5RAMP4RAMP3RAMP2RAMP1RAMP0
R4BAMP7BAMP6BAMP5BAMP4BAMP3BAMP2BAMP1BAMP0
R5YAMP7YAMP6YAMP5YAMP4YAMP3YAMP2YAMP1YAMP0
    a. 电源频率(PFS)

    电源频率fpower的值由下式给出:
    fpower=frange×PFS/65535
    式中,frange为电源频率范围。PFS是16位与二进制(PFS15、PFS0)对应的十进制数的值。
    b. 电源幅值(RAMP、YAMP、BAMP)
    各项幅值的百分比计算公式如下:
    Apower=A×100%/255
    式中,A是8位幅值选择字(AMP7、AMP6……AMP0)对应的十进制的值。
    c. 相序选择(F/R)
    三相PWM输出的相序受控于正/反转选择位F/R,该位为0时,相序为红→黄→蓝;反之,相序为蓝→黄→红。
    d. 输出禁止位(INH)
    该位有效时(为“0"),所有的PWM输出变为低电平,但不影响其它操作。一旦设置无效,输出立即恢复。
    e. 计数器复位(CR)
    当计数器复位位(CR)为“0"时,红相相位计数器设置为“0”。
    f. 软件复位(RST)
    当该位有效时(为“1”),芯片复原为初始时的默认状态,它的效果与硬件复位脚相同

    g.看门狗定时器选择(WTE)
    当该位有效时(为“1”),看门狗定时器被启用;反之,看门狗定时器被禁止。
4 系统软、硬件的设计与实现
4.1 系统硬件连接方案
    SA4828用在逆变器上的连接电路如图1所示。图中,AC交流信号经整流、逆变、隔离(对于UPS和逆变器而言,若用于变频调速,则不需要隔离电路)后输出,在控制电路中,单片机不但用来完成对SA4828的初始化、输出脉宽和频率的控制,还要处理采样数据以形成闭环控制,完成对保护信号的逻辑检测。由于51系统单片机都是地址、数据复用总线模式,故将MUX、RS引线连到高电平。SETTRIP用来快速关断PWM输出,当其有效时,TRIP端输出高电平,指示灯亮。
4.2 系统软件设计
    软件设计是整个逆变控制的核心,它决定着逆变器的输出特性。图2给出了本系统的程序流程图。
    从程序流程图中可看出:单片机先将SA4828复位,在向其传送初始化参数和控制参数之后SA4828即可输出PWM波形,逆变器随后将处于工作状态,这时单片机应不断查询输出状态,以便随时调速PWM输出特性,以满足系统要求;只要系统工作正常,看门狗定时器就不断被更新,以防止其溢出而中断PWM输出。
5 结论
    SA4828可以提供高质量、全数字化的三相脉宽调制波形,并能实现精确控制,以构成性能优异的逆变系统。该系统设计简单,控制电路使用器件少,因而可降低成本、提高可靠性。另外,芯片提供的SETTRIP端在异常情况下可越过CPU的控制而直接关断PWM输出,因而进一步提高了系统的可靠性。
 


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