SA8281型SPWM波發生器原理及在變頻器中的應用

1 引言
脈寬調制技術通過一定的規律控制開關元件的通斷，來獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形，用以近似正弦電壓波形。脈寬調制技術在逆變器中的應用對現代電力電子技術、現代調速系統的發展起到極大的促進作用。
近幾年來，由于場控自關斷器件的不斷涌現,相應的高頻SPWM(正弦脈寬調制)技術在電機調速中得到了廣泛應用。SA8281是MITEL公司推出的一種用于三相SPWM波發生和控制的集成電路，它與微處理器接口方便，內置波形ROM及相應的控制邏輯，設置完成后可以獨立產生三相PWM波形，只有當輸出頻率或幅值等需要改變時才需微處理器的干預，微處理器只用很少的時間控制它，因而有能力進行整個系統的檢測、保護和控制等。基于SA8281和89C52的變頻器具有電路簡單、功能齊全、性能價格比高、可靠性好等優點。

2 SA8281的主要特點及引腳功能
2.1 SA8281的主要特點
SA8281與微處理器的接口靈活，適用于英特爾和摩托羅拉二種總線接口，編程控制簡捷方便；SA8281有6個標準的TTL電平輸出，用來驅動逆變器的6個功率開關器件。直接通過軟件設定載波頻率、調制頻率、調制比、最小脈寬、死區時間等工作參數，設置靈活，無需任何外接電路，節約了硬件成本；
工作頻率范圍寬、精度高，三角載波頻率可調，當時鐘頻率為12.5 MHz時，載波頻率最高可達24kHz，輸出調制頻率最高可達4 kHz，全數字化的脈沖輸出具有很高的精度和溫度穩定性；
在電路不變的情況下，通過修改控制參數就可改變逆變器的性能指標，驅動不同負載或在不同的工況下工作；
可通過改變SPWM脈沖的相序實現電機的正反轉；
獨立閉鎖端可瞬時閉鎖輸出SPWM脈沖，可處理電機突發情況的發生。
2.2 SA8281的引腳功能
SA8281采用28引腳DIP和SOIC封裝，其引腳排列如圖1所示。主要引腳有兩類：一類是與微處理器的接口和控制引腳；另一類是SPWM脈沖輸出和控制引腳。

(1)與微處理器的接口和控制引腳AD0_AD7：數據和地址復用總線。CS、WR、RD、ALE分別是片選、寫、讀和地址鎖存信號線。
(2) SPWM脈沖輸出和控制引腳
RPHB、YPHB、BPHB分別通過驅動電路控制R、Y、B的下臂開關管。
RPHT、YPHT、BPHT分別通過驅動電路控制R、Y、B的上臂開關管。
SET TRIP：通過該引腳可以快速關斷所有SP-WM信號輸出，高電平有效。
TRIP：輸出閉鎖狀態。當SET TRTP有效時，TRIP為低電平，表示輸出已經閉鎖。
ZPPR：輸出調制波頻率。
WSS：輸出采樣波形。
(3)其他引腳
RST：硬件復位引腳，低電平有效。
CLK：時鐘輸入端。
VDD、VSS：正負電源端。

3 SA8281的內部結構及工作原理
SA8281的內部結構如圖2所示。

從內部結構圖可以看出，來自微處理器的數據通過總線控制和譯碼進入初始化寄存器和控制寄存器,對相位和控制邏輯電路進行控制，實現系統參數設置。外部時鐘輸入經分頻器分別設定頻率。SA8281根據地址發生器的信號直接從波形ROM中讀取波形數據，然后通過相位控制邏輯把它組成0~360的完整SPWM波形。整個過程不需要微處理器的控制。每相輸出控制電路由脈寬刪除和脈沖延時電路構成。SPWM波通過脈寬刪除電路刪去比較窄的、脈沖寬度小于刪除時間的脈沖。延時電路生成死區時間，保證任何橋臂上的二個開關管不會在轉換瞬間共同導通。

4 變頻器設計
變頻器的總體結構如圖3所示，三相交流電壓經不可控整流橋整流成514 V直流電壓送至直流環節,經電容濾波后,獲得比較平直的直流電壓。由89C52型8位微處理器控制專用三相PWM電路SA8281產生需要的SPWM信號，控制IGBT組成的逆變橋在SPWM模式下工作。89C52和SA8281的接口電路原理圖如圖4所示。

如圖4所示，SA8281的地址數據總線與89C52的PO口直接相連，3條控制線、WR、RD、ALE分別與89C52相應引腳相連,片選信號CS與P2.7相接。微處理器的Pl.0控制SA8281的復位引腳RST。考慮到89C52型單片機沒有非屏蔽中斷，設計時將所有故障信號合并后直接送SA8281的SET TRIP引腳，以實現有故障時的快速閉鎖，并利用TRIP產生中斷，在中斷服務程序中進行故障的處理及恢復等工作。為了避免誤閉鎖，各故障信號均加有濾波延遲電路，合并后的故障信號進一步經由單穩電路構成的窄脈沖消除電路以消除干擾脈沖的影響。
通過軟件設定載波頻率、調制頻率、調制比、最小脈寬、死區時間等工作參數后，只有當輸出頻率或幅值等需要改變時才需微處理器的干預，微處理器只用很少的時間控制它，因而微處理器的主要任務是保證功率器件在正常的工作條件下運行，出現異常情況時能夠及時檢測出故障并閉鎖系統輸出，切斷主回路電源，使系統停止工作，保證功率器件不受損壞。設計的變頻器保護功能包括過電流保護、過壓、欠壓保護、過熱保護和短路保護等。

5 軟件實現
軟件實現是整個變頻器控制的核心，它決定變頻器的輸出特性，如電壓、頻率范圍及穩定度、諧波含量、保護功能的實現、系統可靠性提高等。圖5示出本系統的程序流程。程序采用模塊化設計，微處理器完成初始化后，調用鍵盤顯示子程序，首先判斷是否啟動，如果啟動，對SA8281初始化并允許SPWM脈沖輸出。變頻器采用軟啟動模式。控制命令的參數計算及設置主要用于確定頻率調節范圍、死區時間、輸出電壓幅值、中心頻率等。當參數設定好后，微處理器主要監控變頻器的工作狀態，根據不同的故障情況作出相應處理。

6 結束語
使用SA8281型三相PWM波形發生器使控制電路大大簡化，器件減少、結構緊湊，降低了成本，提高了可靠性。同時，SA8281與微處理器接口簡單，編程方便，全數字化脈沖輸出有很高的精度和溫度穩定度。且工作頻率范圍寬，輸出頻率分辨率高，特別是在輸出頻率和幅值不變時不需微處理器的干預，占用CPU的時間少，是低成本逆變器的首選方案。