SA8281型SPWM波发生器原理及在变频器中的应用

摘要：介绍SA8281型正弦脉宽调制(SPWM)波发生器的原理和编程特点,以及基于SA8281和89C52型单片机的变频器的软硬件设计。
关键词：SA8281；89C52型单片机；变频器；正弦脉宽调制

1 引言
    脉宽调制技术通过一定的规律控制开关元件的通断，来获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，用以近似正弦电压波形。脉宽调制技术在逆变器中的应用对现代电力电子技术、现代调速系统的发展起到极大的促进作用。
    近几年来，由于场控自关断器件的不断涌现,相应的高频SPWM(正弦脉宽调制)技术在电机调速中得到了广泛应用。SA8281是MITEL公司推出的一种用于三相SPWM波发生和控制的集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形ROM及相应的控制逻辑，设置完成后可以独立产生三相PWM波形，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用很少的时间控制它，因而有能力进行整个系统的检测、保护和控制等。基于SA8281和89C52的变频器具有电路简单、功能齐全、性能价格比高、可靠性好等优点。

2 SA8281的主要特点及引脚功能
2.1 SA8281的主要特点
    SA8281与微处理器的接口灵活，适用于英特尔和摩托罗拉二种总线接口，编程控制简捷方便；SA8281有6个标准的TTL电平输出，用来驱动逆变器的6个功率开关器件。直接通过软件设定载波频率、调制频率、调制比、最小脉宽、死区时间等工作参数，设置灵活，无需任何外接电路，节约了硬件成本；
    工作频率范围宽、精度高，三角载波频率可调，当时钟频率为12.5 MHz时，载波频率最高可达24kHz，输出调制频率最高可达4 kHz，全数字化的脉冲输出具有很高的精度和温度稳定性；
    在电路不变的情况下，通过修改控制参数就可改变逆变器的性能指标，驱动不同负载或在不同的工况下工作；
    可通过改变SPWM脉冲的相序实现电机的正反转；
    独立闭锁端可瞬时闭锁输出SPWM脉冲，可处理电机突发情况的发生。
2.2 SA8281的引脚功能
    SA8281采用28引脚DIP和SOIC封装，其引脚排列如图1所示。主要引脚有两类：一类是与微处理器的接口和控制引脚；另一类是SPWM脉冲输出和控制引脚。

    (1)与微处理器的接口和控制引脚AD0_AD7：数据和地址复用总线。CS、WR、RD、ALE分别是片选、写、读和地址锁存信号线。
    (2) SPWM脉冲输出和控制引脚
    RPHB、YPHB、BPHB分别通过驱动电路控制R、Y、B的下臂开关管。
    RPHT、YPHT、BPHT分别通过驱动电路控制R、Y、B的上臂开关管。
    SET TRIP：通过该引脚可以快速关断所有SP-WM信号输出，高电平有效。
    TRIP：输出闭锁状态。当SET TRTP有效时，TRIP为低电平，表示输出已经闭锁。
    ZPPR：输出调制波频率。
    WSS：输出采样波形。
    (3)其他引脚
    RST：硬件复位引脚，低电平有效。
    CLK：时钟输入端。
    VDD、VSS：正负电源端。

3 SA8281的内部结构及工作原理
    SA8281的内部结构如图2所示。

    从内部结构图可以看出，来自微处理器的数据通过总线控制和译码进入初始化寄存器和控制寄存器,对相位和控制逻辑电路进行控制，实现系统参数设置。外部时钟输入经分频器分别设定频率。SA8281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把它组成0°~360°的完整SPWM波形。整个过程不需要微处理器的控制。每相输出控制电路由脉宽删除和脉冲延时电路构成。SPWM波通过脉宽删除电路删去比较窄的、脉冲宽度小于删除时间的脉冲。延时电路生成死区时间，保证任何桥臂上的二个开关管不会在转换瞬间共同导通。

4 变频器设计
    变频器的总体结构如图3所示，三相交流电压经不可控整流桥整流成514 V直流电压送至直流环节,经电容滤波后,获得比较平直的直流电压。由89C52型8位微处理器控制专用三相PWM电路SA8281产生需要的SPWM信号，控制IGBT组成的逆变桥在SPWM模式下工作。89C52和SA8281的接口电路原理图如图4所示。

    如图4所示，SA8281的地址数据总线与89C52的PO口直接相连，3条控制线、WR、RD、ALE分别与89C52相应引脚相连,片选信号CS与P2.7相接。微处理器的Pl.0控制SA8281的复位引脚RST。考虑到89C52型单片机没有非屏蔽中断，设计时将所有故障信号合并后直接送SA8281的SET TRIP引脚，以实现有故障时的快速闭锁，并利用TRIP产生中断，在中断服务程序中进行故障的处理及恢复等工作。为了避免误闭锁，各故障信号均加有滤波延迟电路，合并后的故障信号进一步经由单稳电路构成的窄脉冲消除电路以消除干扰脉冲的影响。
    通过软件设定载波频率、调制频率、调制比、最小脉宽、死区时间等工作参数后，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用很少的时间控制它，因而微处理器的主要任务是保证功率器件在正常的工作条件下运行，出现异常情况时能够及时检测出故障并闭锁系统输出，切断主回路电源，使系统停止工作，保证功率器件不受损坏。设计的变频器保护功能包括过电流保护、过压、欠压保护、过热保护和短路保护等。

5 软件实现
    软件实现是整个变频器控制的核心，它决定变频器的输出特性，如电压、频率范围及稳定度、谐波含量、保护功能的实现、系统可靠性提高等。图5示出本系统的程序流程。程序采用模块化设计，微处理器完成初始化后，调用键盘显示子程序，首先判断是否启动，如果启动，对SA8281初始化并允许SPWM脉冲输出。变频器采用软启动模式。控制命令的参数计算及设置主要用于确定频率调节范围、死区时间、输出电压幅值、中心频率等。当参数设定好后，微处理器主要监控变频器的工作状态，根据不同的故障情况作出相应处理。

6 结束语
    使用SA8281型三相PWM波形发生器使控制电路大大简化，器件减少、结构紧凑，降低了成本，提高了可靠性。同时，SA8281与微处理器接口简单，编程方便，全数字化脉冲输出有很高的精度和温度稳定度。且工作频率范围宽，输出频率分辨率高，特别是在输出频率和幅值不变时不需微处理器的干预，占用CPU的时间少，是低成本逆变器的首选方案。