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(shù)指標如表1所列。

表1：半液浮速率陀螺電源技術(shù)要求

SPWM原理及基本方案
   
SPWM技術(shù)是一種先進(jìn)的調制技術(shù)，其內涵就是通過(guò)按一定的規律控制開(kāi)關(guān)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(lái)產(chǎn)生所需頻率的正弦電壓波。采用該技術(shù)開(kāi)發(fā)研制的400Hz中頻電源，技術(shù)先進(jìn)，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)節的中頻電源。SPWM的實(shí)現方式通常有兩種：一是模擬法，二是數字法。模擬法電路較復雜，有溫漂現象，影響精度，限制了系統的性能；數字法按照不同的數字模型用計算機算出各切換點(diǎn)，將其存人內存，然后通過(guò)查表及必要的計算產(chǎn)生SPWM波。但數字法受內存影響較大，不能保證系統的精度。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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，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，使系統智能化，微處理器只用很少的機時(shí)去控制它，因而有能力進(jìn)行整個(gè)系統的檢測、保護、控制等?；谏鲜鲈?，我們決定采用SA4828為核心來(lái)研制SPWM中頻電源。

半液浮速率陀螺電源系統設計框圖
   
半液浮速率陀螺供電電源如圖1所示。

圖1：半液浮速率陀螺供電電源方框圖

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

硬件電路設計

SPWM波形發(fā)生器
  
SA4828是Mitel公司專(zhuān)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組成的系統操作數字化，抗干擾能力強，接口簡(jiǎn)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(guò)軟件修改，就可改變逆變器的性能指標，大大提高了調試效率，降低了產(chǎn)品成本。其主要特點(diǎn)如下所述。

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

圖2：SPWM信號發(fā)生器與89S52接口電路

2)工作方式靈活 SA4828有6個(gè)標準的TEL電平輸出，用來(lái)驅動(dòng)逆變器的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件?？梢灾苯油ㄟ^(guò)軟件寫(xiě)寄存器R0、R1、R2、R3、R4、R14、R15設定載波頻率、調制頻率、凋制比、最小脈寬、死區時(shí)間、幅值等工作參數，無(wú)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，載波頻率最高可達24kHz，輸出調制頻率最高可達4 kHz，輸出頻率的分辨率可達16位字長(cháng)；全數字化的脈沖輸出有很高的精度和溫度穩定性。

隔離驅動(dòng)電路
   
IGBT的柵極驅動(dòng)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(zhuān)用驅動(dòng)模塊EXB841。它是EXB系列驅動(dòng)器中高速、大容量器件之一，集隔離、驅動(dòng)和保護于一身，性能優(yōu)越，充分體出了“最優(yōu)驅動(dòng)和分散保護”兩原則。具體應用電路如圖3所示。

圖3：IGBT驅動(dòng)隔離電路

單片機最小系統及外圍擴展芯片
   
89S52單片機最小系統及少量的擴展外圍芯片和SAZ4828三相PWM發(fā)生器構成本系統控制電路。單片機完成對SA4828的初始化、輸出脈寬控制、頻率控制，同時(shí)完成開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制算法的運算及數據處理、模擬信號與數字信號的檢測、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(xiàn)、電源線(xiàn)、控制線(xiàn)3類(lèi)。其中端口線(xiàn)分為4組即P0，P1，P2，P3，系統中僅用P0口和P1口進(jìn)行數據交換，P0口主要用于A(yíng)DC0809之間進(jìn)行數據交換，構成電壓反饋。P1口主要用于給SA4828傳輸初始化數據，并根據運算的結果調整SA4828的輸出。P3、4口與SA4828的引腳21構成頻率反饋。

SA4828工作原理和系統軟件設計

SA4828內部結構和工作原理
   
SA4828內部結構和工作原理框圖如圖4所示。 

圖4：SA4828內部結構和工作原理

它按X(t)=Asinωt來(lái)產(chǎn)生SPWM波形。由于SA4828的主要工作原理大部分與SA8282類(lèi)似，這里不再贅述?，F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(guò)給初始化寄存器和控制寄存器傳輸命令，來(lái)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(chǎng)合。

2)“看門(mén)狗”電路 SA4828在接收單片機發(fā)出的命令時(shí)，一旦出現問(wèn)題，總線(xiàn)控制會(huì )發(fā)出復位“看門(mén)狗”信號，使“看門(mén)狗”延時(shí)關(guān)斷輸出驅動(dòng)信號。

3)8個(gè)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(gè)寄存器單元，單元地址及說(shuō)明見(jiàn)表2。

表2：寄存單元地址及說(shuō)明

在傳輸初始化命令時(shí)，寫(xiě)入以R5為“看門(mén)狗”延時(shí)控制字。當傳輸控制命令時(shí)，寫(xiě)入R0、R1為16位頻率控制字，寫(xiě)入R3、R4、R5分別為三相輸出波形幅值控制字。上述設置和調整，均通過(guò)地址／數據總線(xiàn)、寄存器單元，存人初始化寄存器和控制寄存器來(lái)完成。

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

圖5：系統程序流程圖

主程序中，SA4828初始化命令和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(shí)間、輸出電壓幅值、中心頻率、幅值等。

由陀螺電源技術(shù)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(shí)方法實(shí)現。即當A相輸出后延時(shí)O．625 ms，B相輸出，實(shí)現A、B兩相相位差90度。

這里提出了基于時(shí)序方法實(shí)現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(shí)現任意兩相實(shí)現任意角度差的難題。大大簡(jiǎn)化了逆變電源中任意兩相實(shí)現任意角度差的繁瑣工作和大量的外圍電路。但是，帶來(lái)若干好處的同時(shí)也帶來(lái)了一些問(wèn)題。譬如，本系統中需要2片SA4828實(shí)現A、B兩相相位差90度，一定程度上提高了系統的成本。但是，由于SA4828目前的應用較為廣泛，其市場(chǎng)的價(jià)格也是比較低廉的。綜合考慮，利用SA4828軟件延時(shí)功能實(shí)現逆變電源中任意兩相任意角度差仍然是最佳的選擇方案。

實(shí)驗結果和結語(yǔ)
   
實(shí)驗結果表明，系統方案設計較好地實(shí)現了半液浮速率陀螺對供電電源的要求。實(shí)現了三相頻率穩定度為O.l％、幅值穩定度O．1％的高精密中頻電源。利用軟件延時(shí)的方法，實(shí)現了A、B兩相相位差90度。同時(shí)，系統采用89S52單片機和SA8282信號發(fā)生器后，正弦波控制電路大為簡(jiǎn)化，元器件減少，結構緊湊，降低了成本，提高了可靠性。通過(guò)實(shí)際測試，取得了比較理想的結果，完全符合實(shí)際系統的要求。