半液浮速率陀螺的供電電源設計

以實際工程項目中半液浮速率陀螺供電電源為研究對象。介紹了SPWM技術的基本原理，給出了基于SPWM技術所設計的陀螺電源的基本方案和系統(tǒng)的設計方框圖。提出了一種基于時序?qū)崿F(xiàn)逆變電源的三相任意角度差的方法。同時，分別給出了單片機89S52與信號發(fā)生器SAZ4828的接口電路、IGBT的驅(qū)動隔離電路、外圍擴展芯片、SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理以及軟件設計流程圖。
關鍵詞：半液浮速率陀螺；正弦波脈寬調(diào)制；陀螺電源

O 引言
陀螺供電電源一般為中頻(常用的為400Hz)的單相或者三相變頻電源。同時，這類電源廣泛應用于航空航天、艦船、機車、感應加熱以及雷達、通信交換機等設備中。因此，對此類電源的研究具有很高的工程實用價值。本文以某型導彈中半液浮速率陀螺為研究對象，利用SPWM技術給出了半液浮速率陀螺電源的解決方案。同時，提出了基于時序?qū)崿F(xiàn)逆變電源的三相任意角度差的方法，大大化簡了實現(xiàn)角度差。

半液浮速率陀螺電源設計方案
本文研究的半液浮速陀螺電源的具體技術指標如表1所列。

1．1 SPWM原理及基本方案
SPWM技術是一種先進的調(diào)制技術，其內(nèi)涵就是通過按一定的規(guī)律控制開關器件的通斷，從而獲得一組等幅不等寬的矩形脈沖波形，用來產(chǎn)生所需頻率的正弦電壓波。采用該技術開發(fā)研制的400Hz中頻電源，技術先進，其所達到的電性能指標及可靠性都將大大優(yōu)于以往多環(huán)節(jié)的中頻電源。SPWM的實現(xiàn)方式通常有兩種：一是模擬法，二是數(shù)字法。模擬法電路較復雜，有溫漂現(xiàn)象，影響精度，限制了系統(tǒng)的性能；數(shù)字法按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點，將其存人內(nèi)存，然后通過查表及必要的計算產(chǎn)生SPWM波。但數(shù)字法受內(nèi)存影響較大，不能保證系統(tǒng)的精度。Mitel公司生產(chǎn)的SA系列PWM波形發(fā)生器具有精度高、抗干擾能力強、外圍電路簡單等優(yōu)點，其中SA4828系列SPWM發(fā)生器，可與微處理器連接，完成外圍控制功能，使系統(tǒng)智能化，微處理器只用很少的機時去控制它，因而有能力進行整個系統(tǒng)的檢測、保護、控制等?；谏鲜鲈颍覀儧Q定采用SA4828為核心來研制SPWM中頻電源。

1．2 半液浮速率陀螺電源系統(tǒng)設計框圖
半液浮速率陀螺供電電源如圖1所示。

其系統(tǒng)的基本工作原理為：直流電源經(jīng)過SPWM全橋逆變、濾波隔離后輸出，系統(tǒng)采用幅值反饋和頻率反饋實現(xiàn)陀螺供電電源的幅值和頻率的穩(wěn)定。CPU采用Intel公司生產(chǎn)的89S52單片機；SPWM信號發(fā)生器采用SA4828；混合集成驅(qū)動電路EXB841構(gòu)成隔離驅(qū)動保護電路；逆變器主電路采用IGBT模塊。

2 硬件電路設計
2．1 SPWM波形發(fā)生器
SA4828是Mitel公司專為三相逆變電路設計的SPWM波形發(fā)生器，它能產(chǎn)生純正弦波，尤其與CPU組成的系統(tǒng)操作數(shù)字化，抗干擾能力強，接口簡單，通用性好，可以與不同接口的微控制器相連。在電路不變的情況下，通過軟件修改，就可改變逆變器的性能指標，大大提高了調(diào)試效率，降低了產(chǎn)品成本。其主要特點如下所述。

1)全數(shù)字化 SA4828與微處理器的連接，適用多種微處理器，接口電路簡捷。SA4828與單片機89S52接口電路如圖2所示。

2)工作方式靈活 SA4828有6個標準的TEL電平輸出，用來驅(qū)動逆變器的6個功率開關器件?？梢灾苯油ㄟ^軟件寫寄存器R0、R1、R2、R3、R4、R14、R15設定載波頻率、調(diào)制頻率、凋制比、最小脈寬、死區(qū)時間、幅值等工作參數(shù)，無需任何外接電路。

3)工作頻率范圍寬、精度高 三角載波頻率可調(diào)，載波頻率最高可達24kHz，輸出調(diào)制頻率最高可達4 kHz，輸出頻率的分辨率可達16位字長；全數(shù)字化的脈沖輸出有很高的精度和溫度穩(wěn)定性。

2．2隔離驅(qū)動電路
IGBT的柵極驅(qū)動方法有很多，本方案采用日本富士公司推出的混合式集成化IGBT專用驅(qū)動模塊EXB841。它是EXB系列驅(qū)動器中高速、大容量器件之一，集隔離、驅(qū)動和保護于一身，性能優(yōu)越，充分體出了“最優(yōu)驅(qū)動和分散保護”兩原則。具體應用電路如圖3所示。

2．3 單片機最小系統(tǒng)及外圍擴展芯片
89S52單片機最小系統(tǒng)及少量的擴展外圍芯片和SAZ4828三相PWM發(fā)生器構(gòu)成本系統(tǒng)控制電路。單片機完成對SA4828的初始化、輸出脈寬控制、頻率控制，同時完成開環(huán)和閉環(huán)控制算法的運算及數(shù)據(jù)處理、模擬信號與數(shù)字信號的檢測、保護功能和邏輯判斷等。89S52單片機有40條引腳，共分為端口線、電源線、控制線3類。其中端口線分為4組即P0，P1，P2，P3，系統(tǒng)中僅用P0口和P1口進行數(shù)據(jù)交換，P0口主要用于ADC0809之間進行數(shù)據(jù)交換，構(gòu)成電壓反饋。P1口主要用于給SA4828傳輸初始化數(shù)據(jù)，并根據(jù)運算的結(jié)果調(diào)整SA4828的輸出。P3、4口與SA4828的引腳21構(gòu)成頻率反饋。

3 SA4828工作原理和系統(tǒng)軟件設計
3.1 SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理
SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖如圖4所示，

它按X(t)=Asinωt來產(chǎn)生SPWM波形。由于SA4828的主要工作原理大部分與SA8282類似，這里不再贅述?，F(xiàn)將SA4828特殊的原理解釋如下。

1)3種不同波形的選擇主要是通過給初始化寄存器和控制寄存器傳輸命令，來設置三相波形ROM。它分別為正弦、增強、高效3種波形，使之能應用于各種特殊的場合。

2)“看門狗”電路 SA4828在接收單片機發(fā)出的命令時，一旦出現(xiàn)問題，總線控制會發(fā)出復位“看門狗”信號，使“看門狗”延時關斷輸出驅(qū)動信號。

3)8個寄存器單元為了提高頻率精度，以及能獨立控制三相波形幅值，SA4828增設了8個寄存器單元，單元地址及說明見表2。

在傳輸初始化命令時，寫入以R5為“看門狗”延時控制字。當傳輸控制命令時，寫入R0、R1為16位頻率控制字，寫入R3、R4、R5分別為三相輸出波形幅值控制字。上述設置和調(diào)整，均通過地址／數(shù)據(jù)總線、寄存器單元，存人初始化寄存器和控制寄存器來完成。

3．2 軟件設計
軟件程序設計是整個逆變器控制的核心，它決定逆變器的輸出特性，如電壓、頻率范圍及穩(wěn)定度、諧波含量、保護功能的完善，可靠性等。圖5為本系統(tǒng)的程序流程圖。

主程序中，SA4828初始化命令和控制命令的參數(shù)計算及設置，主要用于確定頻率調(diào)節(jié)范圍、死區(qū)時間、輸出電壓幅值、中心頻率、幅值等。

由陀螺電源技術要求(表1)知，陀螺電機供電電源要求A、B兩相相位差90度。這里，采用軟件延時方法實現(xiàn)。即當A相輸出后延時O．625 ms，B相輸出，實現(xiàn)A、B兩相相位差90度。

這里提出了基于時序方法實現(xiàn)三相電源中任意兩相的任意角度差。解決了逆變電源中難于實現(xiàn)任意兩相實現(xiàn)任意角度差的難題。大大簡化了逆變電源中任意兩相實現(xiàn)任意角度差的繁瑣工作和大量的外圍電路。但是，帶來若干好處的同時也帶來了一些問題。譬如，本系統(tǒng)中需要2片SA4828實現(xiàn)A、B兩相相位差90度，一定程度上提高了系統(tǒng)的成本。但是，由于SA4828目前的應用較為廣泛，其市場的價格也是比較低廉的。綜合考慮，利用SA4828軟件延時功能實現(xiàn)逆變電源中任意兩相任意角度差仍然是最佳的選擇方案。

4 實驗結(jié)果和結(jié)語
實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)方案設計較好地實現(xiàn)了半液浮速率陀螺對供電電源的要求。實現(xiàn)了三相頻率穩(wěn)定度為O.l％、幅值穩(wěn)定度O．1％的高精密中頻電源。利用軟件延時的方法，實現(xiàn)了A、B兩相相位差90度。同時，系統(tǒng)采用89S52單片機和SA8282信號發(fā)生器后，正弦波控制電路大為簡化，元器件減少，結(jié)構(gòu)緊湊，降低了成本，提高了可靠性。通過實際測試，取得了比較理想的結(jié)果，完全符合實際系統(tǒng)的要求。