新型工業振動棒變頻電源的研制

4 三相逆變器控制、驅動與保護電路的設計

4.1 逆變控制電路的設計

由于本方案逆變部分不需要通過調節調制深度來改變輸出電壓的大小，僅須實現變頻功能就可以，故控制電路采用的芯片是INTEL的87C51FX系列的8位單片機，價格比通用的Intel196單片機大大降低，而性能足夠。一般而言，應用CPU產生PWM的典型用法是采用定時的方法，在定時中斷中通過查詢的方式來確定三相的輸出。但是，這種方法只適用于輸出PWM脈沖頻率很低的情況，當輸出頻率大于1kHz時，中斷查詢時間就可能會長于最小輸出脈沖寬度，這樣就會造成輸出脈沖寬度變大或減小，使輸出諧波加大，三相之間的對稱關系也會受到影響。與普通的51系列單片機相比，87C51FX增加了一個可編程的計數器陣列（PCA），它由一個16位的定時器/計數器和5個16位比較/捕捉模塊組成，如圖5所示，其功能與Intel196單片機的EPA相似。PCA的16位定時器/計數器作為比較/捕捉模塊的定時標準，因此，主要作為定時器使用，每個比較/捕捉模塊都有4種用途，即捕捉外部引腳CEXn上輸出電平發生跳變的時間，軟件定時器，高速輸出和脈沖寬度調制輸出。

圖5 可編程計數器陣列

本方案采用不對稱規則采樣法產生三相6路控制脈沖。相比于對稱規則采樣法，不對稱規則采樣法所形成的階梯波更接近于正弦波。將計算出的三相脈沖寬度的值存成一個數據表，作為定時基準，在程序中查詢這些定時時間就可以得到6路控制脈沖。工作原理簡述如下：應用87C51FX的軟件定時器和高速輸出方式，在16位比較方式中，16位PCA定時器的計數值和模塊中的16位比較寄存器中的預置值在每個機器周期進行3次比較，若相等則產生一個匹配信號，使模塊工作于高速輸出方式，即在PCA定時器計數值和模塊的比較寄存器比較相等時產生一個匹配信號，該信號使外部引腳CEXn上的輸出電平發生跳變，如果允許也產生一個PCA中斷。由軟件來設置CEXn上輸出電平的初態，就可以使該引腳在預定時刻達到時發生正（負）跳變，利用這種方式就可以產生16位PWM波。

由于引腳的跳變不須經過CPU的運算來完成，因此，避免了由于最小脈沖寬度過窄而造成的脈沖寬度變化。程序主要由主程序和中斷服務程序兩部分組成。主程序主要是進行初始化工作，將定時器和各個寄存器賦予初值。中斷程序主要包括用于產生PWM脈沖的PCA中斷服務程序和保護中斷程序：在PCA中斷服務程序中，主要是將下一個定時時間賦值給各個模塊的比較寄存器；保護中斷程序主要是處理當有保護信號到來時，封鎖PWM輸出。

4.2 驅動電路的設計

本方案中驅動芯片采用IR2130。IR2130的最大優點是可共地運行，因此只需要一路控制電源。而且它的6路輸出信號中的3路還具有電平轉換功能，既能驅動低壓側的功率器件，也能驅動高壓側的功率器件。IR2130還具有電流放大和過電流保護功能；欠壓鎖定并能指示欠壓和過電流狀態功能；輸入端噪聲抑制功能；同時還能自動產生上、下側驅動所必需的死區時間（2μs）等功能。實際應用中的驅動電路如圖6所示。

圖6采用IR2130的驅動電路

4.3 保護電路與主電路的設計

由于驅動電路部分具有電流保護功能，因此，保護電路部分只設計了電壓保護，包括輸入過壓、欠壓保護和輸出過壓、欠壓保護。保護電路如圖7所示。其中，這幾種保護功能的實現電路是類似的，即輸出（或輸入）電壓經過分壓后送到比較器的反相端，比較器的同相端接給定電壓。他們的區別在于比較器的輸出不同，即輸入過壓和輸出過壓時，比較器輸出低電平；輸入欠壓和輸出欠壓時，比較器輸出高電平。前面3種保護電路的輸出經過4011的運算后，成為“或”的關系，即只要有一種故障發生，得到的故障信號就是高電平，送到CPU的外中斷端口進行相應的處理。輸出欠壓時，比較器輸出高電平，發光二極管點亮，同時蜂鳴器發出聲音報警。

圖7 保護電路圖