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。

    关键词：脉宽调制（PWM）  控制  逆变  SA4828

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

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

    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

    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

    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。