SA8282三相PWM发生器的原理与应用

摘要：SA8282是英国MITEL公司推出的三相PWM发生器集成芯片。该芯片采用全数字化操作，工作方式灵活、频率范围宽、精度很高并可与微处理器接口以实现智能化控制。文中介绍了该芯片的内部结构、引脚功能、主要特点和工作原理，给出了典型的应用电路。 关键词：PWM发生器；SA8282；微处理器 １　ＳＡ８２８２的功能特点 ＰＷＭ控制技术是通过控制电路按一定规律来控制开关管的通断,以得到一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形并使其逼近正弦电压波形。其方法有模拟方法和数字方法两种，其中模拟方法的电路比较复杂,且有温漂现象，会影响精度,降低系统的性能。数字方法则是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点并将其存入内存,然后通过查表及必要的计算生成ＰＷＭ波，因此数字方法受内存影响较大,且与系统精度之间存在着矛盾。ＳＡ８２８２是英国ＭＩＴＥＬ公司生产的全数字化三相ＰＷＭ发生器，它频率范围宽、精度高，并可与微处理器进行接口,同时能够完成外围控制功能,因而可实现智能化。 ＳＡ８２８２采用２８脚ＤＩＰ封装。图１是其引脚排列图，其各引脚的功能说明如下： ＡＤ０～ＡＤ７：八位地址与数据复用总线，用于从微处理器接受地址与数据信息。 ＷＲ（Ｒ／Ｗ、ＲＤ（ＤＳ）、 ＡＬＥ（ＡＳ）：此三个引脚为Ｉｎｔｅｌ（ＭＯＴＯＲＯＬＡ）控制模式；ＳＡ８２８２在工作时可自动适应Ｉｎｔｅｌ或ＭＯＴＯＲＯＬＡ控制模式，当ＡＬＥ（ＡＳ）管脚变为高电平时，ＳＡ８２８２内部检测电路将自动锁存ＲＤ（ＤＳ）线上的状态，如果检测结果为低电平，则采用ＭＯＴＯＲＯＬＡ控制模式；如果检测结果为高电平，则采用Ｉｎｔｅｌ控制模式。 ＲＳＴ：复位端，低电平有效； ＣＳ：片选输入该控制线可使ＳＡ８２８２与其它外围接口芯片共享同一组总线。 ＲＰＨＴ、ＲＰＨＢ、ＹＰＨＴ、ＹＰＨＢ、ＢＰＨＴ、ＢＰＨＢ：标准ＴＴＬ电平输出端口（即ＰＷＭ驱动信号）可分别驱动三相逆变器的六个功率开关器件。 ＴＲＩＰ：输出封锁状态指示用于表明输出是否被锁存，低电平有效。 ＳＥＴ ＴＲＩＰ：关断触发信号输入端,当输入为高时, ＴＲＩＰ及六个ＰＷＭ输出端将被迅速锁存在低电平状态,且只有在, ＲＳＴ复位时才能解除。 ＷＳＳ：波形采样同步端口； ＺＰＰＢ、ＺＰＰＹ、ＺＰＰＲ：分别是三相信号的零相位脉冲输出端。 ＣＬＫ：时钟信号输入端。 ＶＤＤ：＋５Ｖ偏置电源。 ＶＳＳ：接地端。 此外，ＳＡ８２８２芯片还具有以下特点： (１)全数字化 ＳＡ８２８２与微处理器相连时可自动适应Ｉｎｔｅｌ和ＭＯＴＯＲＯＬＡ两种总线接口而且编程简捷方便。其全数字化的脉冲输出具有很高的精度和稳定性。 (２)工作方式灵活 ＳＡ８２８２具有六个标准的ＴＴＬ电平输出端,可以驱动逆变器的六个功率开关器件。电路的载波频率、调制频率、调制比、最小脉宽、死区时间等工作参数均可直接通过软件设定,而不需要任何外接电路,从而降低了硬件成本。 (３)工作频率范围宽、精度高 ＳＡ８２８２的三角载波频率可调,当时钟频率为１２．５ＭＨｚ时,载波频率最高可达２４ｋＨｚ,输出调制频率最高可达４ｋＨｚ,输出频率的分辨率为１２位。 ２　工作原理 ＳＡ８２８２的内部原理结构框图如图２所示。它主要包括初始化命令和控制命令寄存部分、从ＲＯＭ中读取及产生ＰＷＭ调制波形部分以及三相输出控制电路等三个功能部分。 图3 ２．１ 命令寄存部分 该部分由总线控制、地址／数据总线、暂存器Ｒ０～Ｒ２、虚拟寄存器Ｒ３～Ｒ４及２４位初始化寄存器和２４位控制寄存器构成。该部分在工作时应首先进行初始化（从微处理器向初始化寄存器和控制寄存器输入控制字进行系统参数设置），然后由微处理器向两个２４位寄存器输入命令字，这两个寄存器分别被称为初始化寄存器和控制寄存器。由于总线的数据宽度被限制在８位字长，因此要想把数据送到一个２４位寄存器，应先分三次分别送到三个暂存寄存器Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２中。而数据由暂存寄存器Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２送到初始化寄存器或控制寄存器是通过虚拟寄存器Ｒ３、Ｒ４的送数写指令来实现的，Ｒ３、Ｒ４实际上不存在，它们只在指令中出现。往Ｒ３送数的写指令用于将数据从Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２传送到控制寄存器，而往Ｒ４送数的写指令则可将数据从Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２传送到初始化寄存器。 ２．２ 读取及产生ＰＷＭ调制波形部分 该部分由地址发生器、波形Ｒ０Ｍ及相位和控制逻辑构成。由于调制波形关于９０%26;#176;、１８０%26;#176;、２７０%26;#176;对称所以波形ＲＯＭ中仅保存了０～９０%26;#176;的波形瞬时值。工作时，ＳＡ８２８２可根据地址发生器的信号直接从波形ＲＯＭ中读取波形数据,然后通过相位控制逻辑将其组成０～３６０%26;#176;的完整波形和三相波形,而不需要处理器进行处理。 ２．３ 三相输出控制电路 ＳＡ８２８２中的每相输出控制电路均由脉冲取消和脉冲延时电路构成。脉冲取消电路用于去掉脉冲宽度小于取消时间的脉冲，以保证最小输出脉冲宽度大于器件的开关周期。延时电路可保证死区间隔，其作用是在改变任一相中两个开关器件的状态时提供一个较短的延迟时间，以使这段时间里的两个开关都处于关状态，从而防止在转换瞬间桥臂开关元件出现共通（两个开关在状态转换期间造成直通短路）现象。 ３　用ＳＡ８２８２组成的静止逆变器 ３．１ 硬件组成 由ＳＡ８２８２组成的静止逆变器的硬件结构如图３所示,该电路主要由以下几个部分组成： （１）控制电路 该逆变器的控制电路主要由ＭＣＳ－５１单片机最小系统、少量的外围扩展芯片和ＳＡ８２８２三相ＰＷＭ发生器构成。单片机用于完成对ＳＡ８２８２的初始化和输出脉宽控制、频率控制,同时完成开环、闭环控制算法的运算及数据处理、模拟信号与数字信号的检测以及保护功能的逻辑判断等。由于ＳＡ８２８２和单片机共用一个石英晶体振荡器,故同步性能稳定,漂移小。 （２）驱动电路 驱动电路由ＥＸＢ８４０构成。ＳＡ８２８２输出的ＰＷＭ信号经驱动模块ＥＸＢ８４０可直接驱动ＩＧＢＴ,且隔离性能好,抗干扰能力强,同时具有过流检测及电路关断等功能。一旦ＥＸＢ８４０检测到过流信号,它将迅速向ＳＡ８２８２发出高电平保护信号同时封锁ＩＧＢＴ的驱动信号并高速切断电路，低速关断ＩＧＢＴ。 （３）主电路 本系统的主电路为ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ逆变电路。输入的三相交流电压经整流、滤波后将直流电压供给逆变器。主开关器件用六单元ＩＧＢＴ模块和缓冲电路来构成三相逆变器。其输出则采用隔离降压变压器,因此可满足不同输出电压的要求。 ３．２ 软件设计 软件程序设计是整个逆变器控制的核心,它决定着逆变器的输出特性,如电压、频率范围、稳定度、谐波含量、保护功能和可靠性等。图４为本系统的程序流程框图。 在软件的主程序中ＳＡ８２８２初始化命令和控制命令的参数计算及设置主要用来确定频率调节范围、死区时间、输出电压幅值和中心频率等。软启动决定着系统开机时输出电压由低逐渐升高的缓变过程。电压、频率调整主要是将Ａ／Ｄ转换的数据经计算处理后去控制ＳＡ８２８２输出的电压和频率。过载保护程序的作用是在外接负载达到额定负载的１２０％时,能使系统在延时一段时间后关闭ＳＡ８２８２，以达到关断ＩＧＢＴ输出的目的。短路保护程序可在外接负载大于额定负载２００％时,立即关闭系统。 由于本电路采用ＭＣＳ－５１单片机及三相ＰＷＭ集成电路ＳＡ８２８２来进行设计,因而其控制电路大为简化,器件减少，结构紧凑，同时也进一步降低了成本,提高了可靠性。