基于PWM调频的三相中频电源设计

潘水, 李恒松, 刘长甲

(1.国营洛阳丹城无线电厂, 河南, 洛阳 471000; 2.洛阳科技职业学院, 信息与数字工程学院, 河南, 洛阳 471000)

0 引言

115 V/400 Hz三相中频电源被广泛应用于工业领域[1],传统的电源调频方式主要是利用2个调频电位器旋钮进行手动粗调和细调,该调整方式的偏差较大,若调整过快会引起电源保护,调整过慢会延长测试时间,特别是在临近频率点时调整时间较长[2]。为提升三相中频电源的调频精度和速度,本文提出一种基于PWM调频的三相中频电源设计方案,利用单片机计数精准的优势,通过控制PWM信号的占空比,与基准信号相乘,然后由82C54定时器/计数器进行准确计数,单片机根据软件算法计算出对应的转换值,通过设置SA8282三相正弦波发生器输出信号频率,进而可以快速改变电源输出频率[3]。试验结果表明,该电源频率受PWM信号精准控制,性能明显优于手动调节。

1 系统总体方案

电源系统主要功能为输出三相115 V/400 Hz电压,并可根据外部输入PWM信号改变电源输出频率,主要由AT89C51单片机、SA8282波形发生器、82C54定时器/计数器、X25045看门狗电路、电压电流采集电路、功放模块、变压器等组成。系统组成框图如图1所示。AT89C51单片机通过82C54定时器/计数器读取PWM信号占空比,根据占空比使用软件算法计算出电源的输出频率,通过总线控制SA8282波形发生器产生对应频率的三相正弦波信号,经功放模块、变压器隔离升压至115 V。电压电流采集电路主要完成115 V三相输出电压电流的采集,分时选通,再经过压频转换器转换后传输给82C54定时器/计数器,最终传输给单片机进行过压、欠压、过流保护识别及处理。X25045看门狗电路设有一个看门狗定时器,可通过软件预置系统的监控时间,在预置的时间内若没有被清零,则输出RESET信号,使系统复位,避免出现死机、程序跑飞等异常情况,从而提高了系统的可靠性。

图1 系统组成框图

SA8282波形发生器是三相中频电源的核心,它是英国MITEL公司推出的全数字化三相正弦波发生器,工作方式灵活、输出频率宽、精度高,可与单片机接口直连并实现智能化控制[4]。通过软件设定SA8282载波频率、调制波频率、最小脉宽等工作参数后,即能独立产生三相正弦波信号,无需单片机参与,降低了单片机的资源占用。只有需要改变输出频率和电压时,才由单片机将频率和电压对应的数字量写入SA8282相应的控制寄存器中,其余时间无须干预。使单片机可以更多地投入到输入状态的监控,提高了系统的实时性和可靠性。

AT89C51单片机是整个电源的控制中心,它能够读取外部输入PWM信号占空比,计算输出频率对应的控制字并写入SA8282相应的控制寄存器中,控制SA8282产生对应频率的三相正弦波信号。同时,采集和处理电压电流采集电路反馈的信号,并对看门狗电路进行控制和响应[5-6]。

2 硬件电路设计

硬件电路主要由控制电路、功放模块、变压器、电压电流采集电路、电源模块等组成。控制电路是整个电源的核心,主要完成PWM信号占空比的采集,控制SA8282波形发生器产生相位差为120°的三相正弦波。功放模块将三相正弦波信号进行功率放大,然后再经过变压器隔离升压。电压电流采集电路主要完成三相输出电压电流的采集,分时选通后送给单片机进行识别及处理。电源模块主要为单片机、信号发生器、功放等芯片器件提供所需的电源电压。

2.1 控制电路

控制电路主要由AT89C51单片机、82C54定时器/计数器、SA8282三相波形发生器、X25045看门狗电路、晶振等构成。电路原理图如图2所示。单片机对SA8282进行初始化并对工作参数进行设定,同时完成对开环与闭环控制算法的运算与数据处理、读取输入状态信号、控制指令输出、外部中断信号的响应、保护功能的逻辑判断等。由于AT89C51和SA8282共用一个石英晶振,故同步性能稳定、漂移小。单片机采用PID算法调节SA8282参数,从而控制其输出电压,同时对变压器输出电压进行闭环控制[7]。

图2 控制电路原理图

SA8282引脚有3类:一类是与单片机的接口和控制引脚;另一类为波形输出和控制引脚;最后一类为其他功能引脚。

CLK为时钟信号输入端,VDD为+5 V电源端,VSS为接地端。

SA8282工作原理主要包括三部分:一是初始化,完成载波频率、调制波频率、最小脉宽、死区时间等工作参数的设定;二是读取正弦波输出参数,根据寄存器和存储器中设定的幅值频率参数,产生三相正弦波信号;三是输出控制电路,由脉冲取消和脉冲延时电路构成,保证输出正弦波信号的精度要求。

2.2 功放模块及变压器

功放模块完成功率的放大[8-9],主要由LM12CLK运算放大器(80 W)、BYT03-400高效率超快二极管、1N4148高速开关二极管、电容、电位器、电阻等组成。电路如图3所示。功放模块主要实现对SA8282产生的三相正弦波信号进行功率放大。功率模块输入电压为6.5 V,通过调整RP1电位器来改变运算放大器的放大倍数,使经过变压器隔离升压后电压达到115 V。

图3 功放模块电路

2.3 电压电流采集电路

电压电流采集工作主要由互感器完成[10],电路由GPT-202B电压互感器、GCT-201电流互感器、LM239比较器、LM231电压频率转换器、CD4051八选一模拟开关等器件组成,主要完成输出电压、输出电流的采集。欠压保护点设置在105 V,过压保护点设置在125 V,过流保护点设置在500 mA(额定输出电流的2倍),短路保护点设置在750 mA(额定输出电流的3倍)。

当输出三相电压均在105～125 V时,电压比较器不反转,单片机可正常采集电压;当输出三相电压中任意一相电压小于105 V时,欠压比较器反转,发出中断请求信号,单片机响应,同时采集三相电压后关断输出并给出欠压报警提示,且采样输出电压过低(小于5 V)会提示缺相;当输出三相电压中任意一相电压大于125 V时,过压比较器反转,发出中断请求信号,单片机响应,同时采集三相电压后关断输出并给出过压报警提示。

当输出三相电流均小于500 mA时,电流比较器不反转,单片机可正常采集电流;当输出三相电流中任意一相电流大于500 mA时,过流比较器反转,发出中断请求信号,单片机响应,同时采集三相电流后关断输出并给出过流报警提示;当输出三相电流中任意一相电流大于750 mA时,短路比较器反转,发出中断请求信号,单片机响应,同时采集三相电流后关断输出并给出短路报警提示。

2.4 电源模块

电源模块主要由滤波器、整流桥、DC/DC变换器、三端稳压器(7815、7915、7805)、集成稳压电路LM2575、电感、电容、电阻、保险丝等组成[11]。电路原理如图4所示。电源模块主要为单片机、信号发生器、定时器/计数器、功放等器件提供所需的+28 V、-28 V、+15 V、-15 V、+5 V等电源电压。AC220V交流电压经滤波器滤波、交直流转换电路转换为直流电压,再经直流电源转换模块转换成±28 V电压,一路提供给功放模块使用,另一路经三端稳压器转换成+15 V、-15 V、+5 V等电压,为单片机、信号发生器、定时器/计数器等器件提供工作所需的电源电压。

图4 电源模块电路原理图

3 软件设计

软件主流程图如图5所示。软件首先对SA8282 三相正弦波产生器进行初始化,包括设置载频范围及电源频率范围、设置脉冲延时时间与脉冲取消时间、设置初始输出电压115 V与输出频率400 Hz等。读取三相电源输出电压,将电压采样值与电压设定值进行比较,并运用PID增量式算法计算出电压调整量,将此数据写入SA8282的控制寄存器中,达到电压闭环实时控制。

图5 软件流程图

PWM信号为脉宽调制信号,根据需要可以设置成任意占空比的脉冲信号[12]。读取外部输入PWM信号的占空比,根据软件算法计算出对应的电源输出频率,若频率需要调整,可以通过总线设置SA8282的输出频率来调整电源的输出频率。

看门狗电路的预置时间是通过状态寄存器的相应位来设定的,也是根据程序的循环周期确定的,比系统正常工作时的最大循环周期略长。编程时,在软件合适位置加一条喂狗指令,使看门狗定时时间永远达不到预置时间,系统就不会复位;若出现程序跑飞等异常情况,看门狗定时时间达到预置时间,则输出RESET信号,迫使系统复位,重新初始化后进入工作状态。

电压电流采集电路开始工作后,若有过压、欠压、过流、短路等情况发生,则向单片机发送中断信号,单片机收到中断信号后同步采集电压电流信号,然后关断输出,根据采集电压电流信号判定属于何种情况,并给出对应的报警提示。

3.1 SA8282波形发生器参数设定

载波频率设定:设定字由FRS0～ FRS2三位组成,设定字m计算公式如下:

(1)

式中,fc为载波频率,取12 kHz,fclk为时钟频率,取12 MHz,经计算载波频率设定字m=2。

调制波频率范围设定:设定字由CSF0～ CSF2三位组成,设定字n计算公式如下:

(2)

式中,fR为调制波频率范围,取0～512 Hz,fc为载波频率,取12 kHz,经计算调制波频率范围设定字n=4。

脉冲延时时间设定:设定字由PDY0～PDY5六位组成,设定字PDY计算公式如下:

(3)

式中,tPDY为脉冲延时时间,取5 μs,fc为载波频率,取12 kHz,经计算脉冲延时时间设定字PDY=32。

脉冲取消时间设定:设定字由PDT0～PDT6七位组成,设定字PDT计算公式如下:

(4)

式中,tPDT为脉冲取消时间,取10 μs,fc为载波频率,取12 kHz,经计算脉冲取消时间设定字PDT=96。

输出频率设定:设定字由PFS0～ PFS15十六位组成,设定字PFS计算公式如下:

(5)

式中,fpower为电源输出频率,取400 Hz,fR为调制波频率范围,取512 Hz,经计算输出频率设定字PFS=51 200=C800H。若fpower取360 Hz,fR为512 Hz,则输出频率设定字PFS=46 080=B400H。

3.2 PWM信号采集

由于PWM信号为脉冲宽度调制信号,需要将占空比准确地计算出来。取固定频率的基准信号,与PWM信号相乘,得到可采集脉冲信号,由82C54定时器/计数器进行采集。采集原理图如图6所示。

图6 PWM信号采集原理图

82C54定时器/计数器采集的脉冲个数除以时钟脉冲的总个数,即可得到PWM信号的占空比。

(6)

式中,D为PWM信号占空比,C1为采样周期内计数器统计脉冲个数,C为采样周期内基准信号脉冲个数。比如:基准信号1 s采样周期内产生10 000个脉冲,82C54定时器/计数器采集到了8000个脉冲,占空比为80%;基准信号1 s内产生10 000个脉冲,82C54定时器/计数器采集到5000个脉冲,占空比为50%。

4 试验结果

在传统手动调频和PWM调频2种方式下,分别对三相中频电源从400 Hz下降到 360 Hz,再从360 Hz恢复至400 Hz所需的时间进行试验测试。试验情况如表1所示。

表1 调节时间测试结果

由表1可以看出,三相中频电源采用传统手动调频方式情况下,电源输出频率从400 Hz降至360 Hz所需平均时间为24.3 s,恢复至400 Hz所需平均时间为21.5 s;采用PWM程控调频方式情况下,电源输出频率从400 Hz降至360 Hz所需平均时间为10.1 s,恢复至400 Hz所需平均时间为9.9 s。较手动调频方式,PWM调频方式优势明显。

在320～420 Hz频率范围内,选取6个频率点进行手动调频和PWM调频2种方式下的频率控制精度测试。频率测试统计结果如表2所示。

表2 控制精度测试结果

由表2可以看出,三相中频电源采用手动调节方式的频率平均控制误差为0.5 Hz,采用PWM调频的平均控制误差在0.1 Hz内,验证了PWM调频具有较高的频率控制精度。

5 总结

本文设计了一种基于PWM调频的三相中频电源设计方案,利用单片机计数精准的优势,通过准确采集PWM信号的占空比,单片机根据软件算法计算出对应的设定值,通过设置SA8282三相正弦波发生器输出信号频率,进而快速改变电源输出频率。试验结果表明,该电源频率受PWM信号精准控制,电源输出频率在320～420 Hz范围内调整精度达到0.1 Hz,与手动调节相比控制速度和精度均得到了显著提升。