基于PWM调频的三相中频电源设计.pdf

Microcomputer Applications Vol.39,No.11,2023文章编号：10 0 7-7 57 X（2 0 2 3)11-0 19 4-0 5开发应用基于PWM调频的三相中频电源设计微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第11期潘水1，李恒松1，刘长甲2（1.国营洛阳丹城无线电厂，河南，洛阳47 10 0 0；2.洛阳科技职业学院，信息与数字工程学院，河南，洛阳47 10 0 0）摘要：115V/400Hz三相中频电源被广泛应用于工业领域，传统的电源调频方式主要采用电位器手动调节，具有调整误差大且耗时长的不足。为了提升三相中频电源的调频精度和速度，提出一种基于PWM调频的三相中频电源设计方案，将PWM信号转换成脉冲信号，利用单片机计数精准的优势，实现对输出频率的快速精确调整。试验结果表明，电源频率受PWM信号精准控制，在3 2 0 42 0 Hz频率范围内调整精度达到0.1Hz。关键词：PWM调频；SA8282；微处理器；电源控制；中频电源中图分类号：TM912Design of Three-phase MF Power Supply Based on PWM Frequency Modulation(1.State-owned Luoyang Dancheng Radio Factory,Luoyang 471000,China;2.College of Information andDigital Engineering,Luoyang Vocational College of Science and Technology,Luoyang 471oo0,China)Abstract:The 115 V/400 Hz three-phase MF power supply is widely used in industrial fields.The traditional power frequencymodulation mode mainly adopts potentiometer manual adjustment,which has the disadvantages of large adjustment error andlong time-consuming.In order to improve the frequency modulation accuracy and speed of three-phase MF power supply,thispaper proposes a design scheme of three-phase MF power supply based on PWM frequency modulation,which converts PWMsignal into pulse signal,and uses the advantage of accurate counting of single chip microcomputer to realize the rapid and accu-rate adjustment of output frequency.The test results show that the frequency of the power supply is accurately controlled byPWM signal,and the adjustment accuracy reaches 0.1 Hz in the frequency range of 320420 Hz.Key words:PWM frequency modulation;SA8282;microprocessor;power control;MF power supply0引言115V/400Hz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8 2 C54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115V/400Hz电压，并可根据外部输人PWM信号改变电源输出频率，主要由作者简介：潘水（19 7 8 一），男，硕士，工程师，研究方向为测控技术；李恒松（19 7 7 一），男，本科，工程师，研究方向为电子技术；刘长甲（19 7 7 一）,男，硕士，工程师，研究方向为大数据分析与管理。194文献标志码：APAN Shui,LI Hengsong,LIU Changjia?了系统的可靠性。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41。通过软件设定SA8282载波频率、调制波频率、最AT89C51单片机、SA8282波形发生器、8 2 C54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8 2 C54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115V。电压电流采集电路主要完成115V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8 2 C54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Microcomputer Applications Vol.39,No.11,2023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人状态的监控，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U7D1274HC0013R3010MQ心X112MHzC2130pFU7B474HC00J15PWM开发应用X25045AT89C51PWM输入82C54U7CU6A1074HC0011C2030pFGND1U7A274HC0063微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第11期SA8282功放模块图1系统组成框图器产生相位差为12 0 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、8 2 C54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。74HC3938888OCLK34562MRGND1U6B74HC39313-oCLK8010308812MRU582C541011OUTOGATEO9CLKO+5V14GATE115CLKI24VCC17OUT21618CLK2GATE2GND1图2 控制电路原理图.195.变压器电压电流采集电路POOPOIP02P03P04P05POOP0730ALE/P16WRRD11INT1AT89C51P178GNDI+5VR3210kQ7654BWR23WRRDO22RD21CSOUTi13A0Ai2015V输出U4EA/VP31INTO12T115TO14+5VU3X25045U2SA828226ADO27ADi28AD2AD3AD44AD5AD6AD7NWRSWRRD710811ALECS9RST16vssGND1P11P12P134P14P15Pio40TVCCVCC8VSS4GND1+5V25VDD25ZPPBZPPYZPPRBPHT17YPHT1820RPHTRDCLK2m+5VBPHB15YPHBRPHBWSS21TRIP12TRIPS19Microcomputer Applications Vol.39,No.11,2023SA8282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。ADOA D 7 是八位地址与数据复用总线，用于从单片机接收地址与数据信息。WR、R D、A LE3个引脚为控制模式，RST是复位端，低电平有效；CS为片选输人，该控制线可使SA8282与8 2 C54共享同一组总线。BPHB、Y PH B、R PH B为标准三相正弦波输出端，ZP-PB、ZPPY、ZPPR 分别是三相信号的零相位脉冲输出端，且相位差为12 0。TRIP为输出封锁状态指示，用于表明输出是否被封存，低电平有效。SETTRIP是关断触发信号输入端，当输人为高时，TRIP及6 个PWM输出端将迅速锁存在低电平状态，且只有在RST复位时才能解除。CLK为时钟信号输人端，VDD为十5V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（8 0 W）、BY T 0 3-40 0 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。功率模块输人电压为6.5V，通过调整Rpr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。R41k2GND1D伞 D本C34R2JIN4148IN4148 1nRIk2IFRRJ1ok2GND12.3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。欠压保护点设置开发应用在10 5V，过压保护点设置在12 5V，过流保护点设置在500mA（额定输出电流的2 倍），短路保护点设置在7 50 mA（额定输出电流的3倍）。当输出三相电压均在10 512 5V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10 5V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5V)会提示缺相；当输出三相电压中任意一相电压大于12 5V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50 0 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50 0 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7 50 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（7 8 15、7 9 15、7 8 0 5）、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+2 8 V、-2 8 V、+15V、-15V、十5V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土2 8 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十15V、一15V、十5V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。+28V3软件设计RpiL5ka软件主流程图如图5所示。软件首先对SA8282三相正C330MEFC40.ILFDGND1BYT03-400LM12CLK3D2BYT03-400C330uFCJ+330uEGND1Co.1uF-28VGND1图3功放模块电路微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第11期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115V与输出频率40 0 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out到电压闭环实时控制。RR211k/2WCs._GNDI0.1FPWM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。读取外部输人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。.196.Microcomputer Applications Vol.39,No.11,20233M14ACLBQ2BRIDGE245AC开发应用+28VL1B1微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第11期V3LM2575R2622/2WVIN13V13F1十2ACJ270 F400V4INGNDF23M2+IN2ADC-DC/AI-200CT270F400V4INGND图4电源模块电路原理图开始SA8282初始化设置载频范围、电源频率范围设置脉冲延时时间设置脉冲取消时间设置初始输出电压设置初始输出频率+5VFB4CNDOUTH2330HV4L2MC78152OUTOUT11+INTDC-DC/AI-200+8S9OUTGNXOUT11+81018uHC49220FS8OUTGNL13+15VIN180uHC220FL3-28V7805IN2OUT30.1uFC2532V2MC79152IN6OUTyCC27+1000F/35VC0.1FC2831000F/35V-15vGND看门狗电路开始工作否预置监控时间内是否异常？是系统复位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。3.1SA8282波形发生器参数设定载波频率设定：设定字由FRSOFR S2 三位组成，设定字m计算公式如下：f512 2m-1式中，f。为载波频率，取12 kHz，fe lk 为时钟频率，取12MHz，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CSFOCSF2 三位组成，设定字n计算公式如下：R=LX2384读取PWM输入信号单片机根据PWM信号占空比计算电源输出频率判断是否与当前是输出频率一致？香单片机设置SA8282波形发生器输出频率图5软件流程图式中，fR为调制波频率范围,取0 512 Hz，f。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PDYOPDY5六位组成，设定字PDY计算公式如下：tpDYf.X512式中，tpDy为脉冲延时时间，取5_s，f。为载波频率，取felk12kHz,经计算脉冲延时时间设定字PDY=32。(1)脉冲取消时间设定：设定字由PDTOPD T 6 七位组成，设定字PDT计算公式如下：tpDT式中,tpDT为脉冲取消时间，取10 s，f为载波频率，取12kHz,经计算脉冲取消时间设定字PDT=96。(2)输出频率设定：设定字由PFSOPFS15十六位组成，设197采集输出电压电流否是否超差?是产生中断信号单片机关断输出并给出超差报警提示结束63-PDY127-PDTf.X512(3)(4)Microcomputer Applications Vol.39,No.11,2023定字PFS计算公式如下：fpower=65536式中，fpower为电源输出频率，取40 0 Hz，f r 为调制波频率范围，取512 Hz，经计算输出频率设定字PFS=51200=C800H。若fpower取36 0 Hz，f R 为512 Hz，则输出频率设定字PFS=46080=B400H。3.2PWM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8 2 C54定时器/计数器进行采集。采集原理图如图6 所示。基准信号PWM信号采集信号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。D=%100%式中，D为PWM信号占空比，C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1s采样周期内产生10 0 0 0 个脉冲，8 2 C54定时器/计数器采集到了8 0 0 0 个脉冲，占空比为8 0%；基准信号1s内产生10 0 0 0 个脉冲，8 2 C54定时器/计数器采集到50 0 0 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40 0 Hz下降到36 0 Hz，再从36 0 Hz恢复至400Hz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400Hz下降到3 6 0 Hz360Hz恢复至40 0 Hz测试所需时间/s次数传统手动调频PWM调频传统手动调频PWM调频125.4224.3322.7426.0523.1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40 0 Hz降至36 0 Hz所需平均时间为2 4.3s，恢复至40 0 Hz所需平均时间为2 1.5s；采用PWM程控调频方式情况下，电源输出频率从40 0 Hz降至360Hz所需平均时间为10.1s，恢复至40 0 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32 0 42 0 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。开发应用测试次数频率设定值/Hz手动调频/HzXPFS(5)图6 PWM信号采集原理图(6)所需时间/s10.220.510.423.69.822.410.219.89.921.2微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第11期表2 控制精度测试结果PWM调频/Hz132023403360438054006420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0.5Hz，采用PWM调频的平均控制误差在0.1Hz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32 0 42 0 Hz范围内调整精度达到0.1Hz,与手动调节相比控制速度和精度均得到了显著提升。1F陈正振，成世龙.高精度船舶旋转变压器40 0 Hz中频电源的设计与应用J.广西民族大学学报（自然科学版),2 0 18,2 4(2):8 3-8 7.2 陶，茅露露.船用交流中频静止变频电源设计.中外船舶科技，,2 0 18(1）：2 9-33.3王正，夏辉，张六韬。单片机控制SA8282芯片的三相115V/400Hz交流电源设计J.计测技术，2 0 0 7，2 7(4):53-54.梁玉红，黄晓林.基于SA8282的三相逆变电源的研制J.微计算机信息，2 0 0 6（2 9）：12 2-12 4.5梁东云，吴晓云.基于单片机的汽车天窗控制系统的设计 J.微型电脑应用，2 0 2 1，37（11）：38-40.6 肖克，徐世许，刘镔震，等.基于STC89C51的液压自动调平系统设计 JI.工业仪表与自动化装置，2 0 2 2(1):25-28.10.1吴南.智能PID控制器的设计 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