基于PWM調(diào)頻的三相中頻電源設計

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)學院, 信息與數(shù)字工程學院, 河南, 洛陽 471000)

0 引言

115 V/400 Hz三相中頻電源被廣泛應用于工業(yè)領域[1],傳統(tǒng)的電源調(diào)頻方式主要是利用2個調(diào)頻電位器旋鈕進行手動粗調(diào)和細調(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,調(diào)整過慢會延長測試時間,特別是在臨近頻率點時調(diào)整時間較長[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計方案,利用單片機計數(shù)精準的優(yōu)勢,通過控制PWM信號的占空比,與基準信號相乘,然后由82C54定時器/計數(shù)器進行準確計數(shù),單片機根據(jù)軟件算法計算出對應的轉換值,通過設置SA8282三相正弦波發(fā)生器輸出信號頻率,進而可以快速改變電源輸出頻率[3]。試驗結果表明,該電源頻率受PWM信號精準控制,性能明顯優(yōu)于手動調(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、SA8282波形發(fā)生器、82C54定時器/計數(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單片機通過82C54定時器/計數(shù)器讀取PWM信號占空比,根據(jù)占空比使用軟件算法計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,分時選通,再經(jīng)過壓頻轉換器轉換后傳輸給82C54定時器/計數(shù)器,最終傳輸給單片機進行過壓、欠壓、過流保護識別及處理。X25045看門狗電路設有一個看門狗定時器,可通過軟件預置系統(tǒng)的監(jiān)控時間,在預置的時間內(nèi)若沒有被清零,則輸出RESET信號,使系統(tǒng)復位,避免出現(xiàn)死機、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,可與單片機接口直連并實現(xiàn)智能化控制[4]。通過軟件設定SA8282載波頻率、調(diào)制波頻率、最小脈寬等工作參數(shù)后,即能獨立產(chǎn)生三相正弦波信號,無需單片機參與,降低了單片機的資源占用。只有需要改變輸出頻率和電壓時,才由單片機將頻率和電壓對應的數(shù)字量寫入SA8282相應的控制寄存器中,其余時間無須干預。使單片機可以更多地投入到輸入狀態(tài)的監(jiān)控,提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。

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

2 硬件電路設計

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,分時選通后送給單片機進行識別及處理。電源模塊主要為單片機、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、82C54定時器/計數(shù)器、SA8282三相波形發(fā)生器、X25045看門狗電路、晶振等構成。電路原理圖如圖2所示。單片機對SA8282進行初始化并對工作參數(shù)進行設定,同時完成對開環(huán)與閉環(huán)控制算法的運算與數(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、保護功能的邏輯判斷等。由于AT89C51和SA8282共用一個石英晶振,故同步性能穩(wěn)定、漂移小。單片機采用PID算法調(diào)節(jié)SA8282參數(shù),從而控制其輸出電壓,同時對變壓器輸出電壓進行閉環(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)時間等工作參數(shù)的設定;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電路構成,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運算放大器(80 W)、BYT03-400高效率超快二極管、1N4148高速開關二極管、電容、電位器、電阻等組成。電路如圖3所示。功放模塊主要實現(xiàn)對SA8282產(chǎn)生的三相正弦波信號進行功率放大。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電壓頻率轉換器、CD4051八選一模擬開關等器件組成,主要完成輸出電壓、輸出電流的采集。欠壓保護點設置在105 V,過壓保護點設置在125 V,過流保護點設置在500 mA(額定輸出電流的2倍),短路保護點設置在750 mA(額定輸出電流的3倍)。

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

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

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、保險絲等組成[11]。電路原理如圖4所示。電源模塊主要為單片機、信號發(fā)生器、定時器/計數(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、交直流轉換電路轉換為直流電壓,再經(jīng)直流電源轉換模塊轉換成±28 V電壓,一路提供給功放模塊使用,另一路經(jīng)三端穩(wěn)壓器轉換成+15 V、-15 V、+5 V等電壓,為單片機、信號發(fā)生器、定時器/計數(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 軟件設計

軟件主流程圖如圖5所示。軟件首先對SA8282 三相正弦波產(chǎn)生器進行初始化,包括設置載頻范圍及電源頻率范圍、設置脈沖延時時間與脈沖取消時間、設置初始輸出電壓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定值進行比較,并運用PID增量式算法計算出電壓調(diào)整量,將此數(shù)據(jù)寫入SA8282的控制寄存器中,達到電壓閉環(huán)實時控制。

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)軟件算法計算出對應的電源輸出頻率,若頻率需要調(diào)整,可以通過總線設置SA8282的輸出頻率來調(diào)整電源的輸出頻率。

看門狗電路的預置時間是通過狀態(tài)寄存器的相應位來設定的,也是根據(jù)程序的循環(huán)周期確定的,比系統(tǒng)正常工作時的最大循環(huán)周期略長。編程時,在軟件合適位置加一條喂狗指令,使看門狗定時時間永遠達不到預置時間,系統(tǒng)就不會復位;若出現(xiàn)程序跑飛等異常情況,看門狗定時時間達到預置時間,則輸出RESET信號,迫使系統(tǒng)復位,重新初始化后進入工作狀態(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,則向單片機發(fā)送中斷信號,單片機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(jù)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。

3.1 SA8282波形發(fā)生器參數(shù)設定

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:

(1)

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

調(diào)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:

(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)計算調(diào)制波頻率范圍設定字n=4。

脈沖延時時間設定:設定字由PDY0～PDY5六位組成,設定字PDY計算公式如下:

(3)

式中,tPDY為脈沖延時時間,取5 μs,fc為載波頻率,取12 kHz,經(jīng)計算脈沖延時時間設定字PDY=32。

脈沖取消時間設定:設定字由PDT0～PDT6七位組成,設定字PDT計算公式如下:

(4)

式中,tPDT為脈沖取消時間,取10 μs,fc為載波頻率,取12 kHz,經(jīng)計算脈沖取消時間設定字PDT=96。

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:

(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)計算輸出頻率設定字PFS=51 200=C800H。若fpower取360 Hz,fR為512 Hz,則輸出頻率設定字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,需要將占空比準確地計算出來。取固定頻率的基準信號,與PWM信號相乘,得到可采集脈沖信號,由82C54定時器/計數(shù)器進行采集。采集原理圖如圖6所示。

圖6 PWM信號采集原理圖

82C54定時器/計數(shù)器采集的脈沖個數(shù)除以時鐘脈沖的總個數(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)計數(shù)器統(tǒng)計脈沖個數(shù),C為采樣周期內(nèi)基準信號脈沖個數(shù)。比如:基準信號1 s采樣周期內(nèi)產(chǎn)生10 000個脈沖,82C54定時器/計數(shù)器采集到了8000個脈沖,占空比為80%;基準信號1 s內(nèi)產(chǎn)生10 000個脈沖,82C54定時器/計數(shù)器采集到5000個脈沖,占空比為50%。

4 試驗結果

在傳統(tǒng)手動調(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恢復至400 Hz所需的時間進行試驗測試。試驗情況如表1所示。

表1 調(diào)節(jié)時間測試結果

由表1可以看出,三相中頻電源采用傳統(tǒng)手動調(diào)頻方式情況下,電源輸出頻率從400 Hz降至360 Hz所需平均時間為24.3 s,恢復至400 Hz所需平均時間為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所需平均時間為10.1 s,恢復至400 Hz所需平均時間為9.9 s。較手動調(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個頻率點進行手動調(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)計結果如表2所示。

表2 控制精度測試結果

由表2可以看出,三相中頻電源采用手動調(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),驗證了PWM調(diào)頻具有較高的頻率控制精度。

5 總結

本文設計了一種基于PWM調(diào)頻的三相中頻電源設計方案,利用單片機計數(shù)精準的優(yōu)勢,通過準確采集PWM信號的占空比,單片機根據(jù)軟件算法計算出對應的設定值,通過設置SA8282三相正弦波發(fā)生器輸出信號頻率,進而快速改變電源輸出頻率。試驗結果表明,該電源頻率受PWM信號精準控制,電源輸出頻率在320～420 Hz范圍內(nèi)調(diào)整精度達到0.1 Hz,與手動調(diào)節(jié)相比控制速度和精度均得到了顯著提升。