CN100471021C - 高分辨率变频且相位可调的互补输出驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全数字化智能的逆变电路驱动控制方法，其经嵌入式微处理器电路(7)发送频率和相位参数到频率、相位调节电路(1)，经滤波电路(2)及频率、相位调节电路(1)形成方波信号，该方波通过频率反馈跟踪校验电路(3)和相位反馈跟踪校验电路(4)，反馈到嵌入式微处理器电路(7)，与给定的频率和相位比较判断正确后，该方波通过保护和互补输出电路(5)及驱动隔离电路(6)，形成逆变电路的驱动控制信号，同时把相关信息发送到人机部分。本发明可自动反馈跟踪驱动控制信号的频率和相位，能够对驱动控制信号的频率和相位进行高精度微调和校正，按照给定的步长自动更新驱动控制信号的频率，具有死区插入及封锁脉冲等保护功能。

Description

高分辨率变频且相位可调的互补输出驱动控制方法

技术领域

本发明涉及一种逆变电路驱动控制方法，尤其涉及一种要求驱动信号相位可调，同时要求其频率连续、高精度微调的逆变电路驱动信号的控制。本方法可以用于开关电源、电机转速控制、逆变器、超声波发生器、充电器等方面等。

背景技术

近年来以逆变电路为核心的变频技术不断提高，变频技术应用的日益增长，为节约能源、提高产品质量和发展生产发挥了重要作用。逆变电路必须由驱动控制信号进行控制，随着工艺要求的复杂性提高，往往要求驱动控制信号频率的调节具有快速、准确性，同时频率能够进行微调和相位的改变。有些控制过程要求驱动控制信号频率能够按一定的步长进行调节。

利用微处理器的PWM功能虽然可是实现逆变电路驱动信号频率的准确输出，但是由于微处理器的工作频率和控制寄存器的限制，往往其输出的逆变电路驱动信号的频率范围不会很宽，同时也不能实现连续频率的微调，分辨率不高。

文献《TL494脉宽调制器集成电路的研究》吉林化学化工学报2005年6月第3期，采用压控振荡器可以完成频率可调的逆变电路驱动信号，其输出的频率由外接的电阻和电容的值决定，需要改变输出驱动信号频率时，必须通过改变电阻或电容的值来进行，不能实现在线的连续调整，同时由于电阻或电容带来的误差得到的频率精度也得不到保证。其频率的分辨率只有数十赫兹，无法实现频率的连续调节，并且信号的相位也不能实现在线地调节。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高分辨率变频且相位可调的互补输出驱动控制方法。

其特征在于：首先所需驱动信号的频率和相位等参数，由人机界面或上位机通过串口发送到嵌入式微处理器电路，由微处理器进行计算后以串行方式写入到高分辨率频率、相位调节电路中相关的寄存器中，频率、相位调节电路根据寄存器中的内容，采用直接数字式频率合成技术形成一定频率和相位的正弦波，该正弦波经过滤波电路低通滤波后，重新回到高分辨率频率、相位调节电路，经过频率、相位调节电路内的高速比较器形成一定频率和相位的方波。该方波通过频率反馈跟踪校验电路和相位反馈跟踪校验电路，反馈到嵌入式微处理器电路，与给定的频率和相位进行比较，如果频率和相位正确，则该方波通过保护和互补输出电路及驱动隔离电路，形成逆变电路的驱动控制信号；如果频率和相位不正确，该方波不通过保护和互补输出电路及驱动隔离电路，而是由微处理器重新发送特定字节到频率、相位调节电路，形成闭环反馈保护，并把相关信息通过串口接入到人机接口部分由触摸屏上或上位机显示出来。

由于逆变电路往往是三相，所以要求具有三相的驱动控制信号。具体包括：

(1)3组高分辨率频率、相位调节电路，其受嵌入式微控制电路的控制，根据不同指令内容产生频率可调的高精度、高分辨率的方波信号，同时，3组方波输出信号的相位也可以根据嵌入式微控制器的指令而改变，从而实现频率和相位的调整。它们是系统的关键部分；

(2)3路频率反馈跟踪校验电路，其检测驱动控制信号的频率，对输出驱动控制信号的频率加以校验；

(3)3组相位反馈跟踪校验电路，其检测驱动控制信号的相位，对输出驱动控制信号的相位加以校验；

(4)3组保护和互补输出电路，把3组方波信号转换成插入死区的6个互补输出的驱动控制信号。同时引入保护控制信号，当逆变主电路发生异常(过流，过压，超温)时，产生封锁脉冲信号，关断6个互补输出的驱动控制控制信号，实现主电路的保护；

(5)3组驱动隔离电路，从抗干扰、安全和驱动能力上考虑，驱动控制信号一般不能直接连接到逆变电路上，必须通过驱动隔离电路才能完成；

(6)3组滤波电路，滤除系统中的高次谐波的干扰信号；

(7)人机接口部分，通过触摸屏，完成人机交互功能；

(8)嵌入式微处理器电路，是整个系统的核心，采用嵌入式微处理器的最小系统完成对上述电路的控制和检测，同时实现人机交互和通信功能。

本发明的优点是：随着生产设备的复杂程度不断提高，满足逆变控制电路的驱动控制信号能够智能快速、灵活、准确地输出，并自动反馈跟踪驱动控制信号的频率；能够灵活方便地对驱动控制信号的频率进行高精度微调(在30MHz参考时钟输入下，输出频率具有0.00698Hz的分辨率)和校正；按照给定的步长自动更新驱动控制信号的频率；同时驱动控制信号的相位能够根据驱动对象的不同在线地进行调节(180°、90°、45°、22.5°、11.25°或者是它们构成的组合)，并动态反馈跟踪相位的变化。为了达到驱动逆变桥的目的，具有六路互补输出功能。并且采用必要的死区插入及相关的封锁脉冲等保护功能。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图。

图2是本发明的频率、相位调节电路。

图3是本发明的滤波电路。

图4是本发明的相位反馈跟踪校验电路。

图5是本发明的保护和互补输出电路。

图6是本发明的驱动隔离电路。

图7是本发明的嵌入式微处理器电路。

具体实施方式

如图1所示，为系统设计方案。嵌入式微处理器电路(7)发送频率和相位参数到频率、相位调节电路(1)，经滤波电路(2)及频率、相位调节电路(1)形成方波信号，该方波通过频率反馈跟踪校验电路(3)和相位反馈跟踪校验电路(4)，反馈到嵌入式微处理器电路(7)，与给定的频率和相位进行比较，如果频率和相位正确，则该方波通过保护和互补输出电路(5)及驱动隔离电路(6)，形成逆变电路的驱动控制信号。如果不正确，嵌入式微处理器电路(7)封锁信号输出，并重新发送参数，同时把相关信息通过串口显示到触摸屏上或上位机。

嵌入式微处理器电路(7)根据接收到人机交互部分(触摸屏)或上位机通信下发的信息内容如：驱动控制信号的频率、驱动控制信号之间的不同相位，形成频率、相位调节电路的控制参数，并以串行的方式分别下发到3组频率、相位调节电路(1)。3组频率、相位调节电路(1)根据不同的参数利用直接数字式频率合成技术形成所需要的频率和相位的正弦波信号，3组输出的正弦波信号由于含有较高次的谐波，所以必须通过低通滤波电路(2)才能得到频谱纯正的正弦波。3组正弦波通过频率、相位调节电路(1)内部的比较器，生成3组方波信号。3组方波信号通过保护、互补输出电路(5)，形成具有死区插入的6互补输出的驱动控制信号，通过驱动隔离电路(6)形成逆变电路的驱动控制信号。

为了保证输出驱动信号频率和相位的正确、可靠，本发明设计频率反馈跟踪电路(3)和相位反馈跟踪电路(4)，只有当输出的驱动控制信号频率和相位的误差在规定的范围内，才允许驱动信号输出有效，否则就重新设置。同时把相关信息通过人机交互部分显示在触摸屏或上发到上位机。

如图2所示，是本发明的3组频率、相位调节电路(1)中的一组。本电路采用ADI公司的AD9850(IC1)的高集成度直接数字式频率合成技术器件。它内部包括可编程的直接数字式频率合成系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。接上精密时钟源(G2)，嵌入式微处理器(7)通过串行接口方式，由AD9850(IC1)的25脚DA7写入控制字。控制字写入的控制时序信号通过嵌入式微处理器(7)由AD9850(IC1)的8脚50F1和7脚50W1控制完成。这样，AD9850(IC1)的21脚就可以生成一个频谱纯正的频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。此正弦波经过低通滤波电路(2)，经AD9850(IC1)的16脚进入，通过内部高速比较器转换成方波，由AD9850(IC1)的14脚PL1输出。另外2组频率、相位调节电路(1)输出PL2及PL3。

图3是本发明设计的低通滤波器(2)。根据所需截至频率的不同，设计不同阶数的低通滤波器。由于驱动控制信号多数是驱动逆变电路的电力电子器件，考虑到器件的开关频率，本滤波器是500KHz二阶有源压控低通滤波器。由于有源滤波器中，大多数运算放大器的开环增益不够和频带的限制，有源滤波器主要应用在低频场合，无源滤波器用在高频场合。

频率、相位调节电路(1)中AD9850(IC1)14脚PL1输出的方波直接反馈接入嵌入式微处理器(7)中IC8的24脚(PL2和PL3的反馈信号接在分别接在IC8的23脚和22脚)形成频率反馈跟踪电路(3)。该电路利用IC8的输入捕捉功能进行频率计数，从而完成验证输出频率的正确性。

图4是本发明设计的3组相位反馈跟踪电路(4)中的一组。由频率、相位调节电路(1)输出的两个输出信号PL1和PL2经过D型触发器CD4013(IC2)的1脚输出YX1的高、低电平来判断超前、滞后情况。PL1和PL2经过异或电路74HC86(IC3)，经过由积分电路(41)形成与相位差大小成正比的直流电压信号XW1。XW1连接到嵌入式微处理器(7)中IC8的25脚，经内部A/D转换，得到相位差的大小，同时通过判断嵌入式微处理器(7)中IC8的38脚上YX1的高低状态判断超前、滞后的情况，从而完成相位的反馈和跟踪。PL1和PL3、PL2和PL3接到另外2组相位反馈跟踪电路(4)。

图5是本发明的3组保护和互补输出电路(5)中的一组。该电路由死区、互补生成电路(51)和保护、控制信号合成电路(52)构成。电路主体采用IR21844(IC6)芯片设计。由频率、相位调节电路(1)产生的PL1信号经与门电路CD4081(IC7)整形调整后，接入到IR21844(IC6)的1脚，当IR21844(IC6)的2脚是高电平时，从12脚UP和6脚DOWN输出一组具有死区的反相的互补信号(防止逆变桥上、下桥臂同时导通，而造成短路)，通过调节R9的大小，可以调节插入死区的大小。当IR21844(IC6)的2脚是低电平时，从12脚UP和6脚DOWN输出均为低电平，实现驱动控制信号的封锁。各种保护信号(过压、过流、超温等)以及来自嵌入式微处理器(7)的控制信号CONT经过与门CD4081(IC7)连接到IR21844(IC6)的2脚，形成控制和保护信号。PL2和PL3分别接到另外2组保护和互补输出电路(5)。

图6是本发明的3组驱动隔离电路(6)中的一组(其它2组相同)。由保护和互补输出电路(5)输出的UP和DOWN信号，经过放大电路(61)、隔离变压器构成的隔离电路(62)及保护电路(63)输出，最终输出逆变电路的主电路驱动控制信号。

图7是本发明的嵌入式微处理器电路(7)。该电路由嵌入式微处理器最小系统(71)、复位电路(72)和通信接口电路(73)组成。嵌入式微处理器最小系统(71)采用摩托罗拉MC68HC908GP32(IC8)作为中央CPU，该处理器是Motorola最新推出的8位新型单片机，该单片机片内资源丰富、功能特别强大。片内512个RAM字节，程序和重要的数据可以存放在片内的32K字节的FLASH中，PTA、PTB、PTC、PTD和PTE所有管脚均可以定义为输入或输出口，通过复用方式，PTB口可以定义为A/D接口，PTE口可以定义为SCI方式，同时通过锁相环技术总线时钟速率高达8M，最小指令周期128ns。嵌入式微处理器电路(7)通过适当的接口完成和频率、相位调节电路(1)、频率反馈跟踪电路(3)、相位反馈跟踪电路(4)及保护和互补输出电路(5)的连接，形成整个系统的控制和测量中心。

复位电路(72)为嵌入式微处理器最小系统(71)和频率、相位调节电路(1)提供上电复位信号。

嵌入式微处理器最小系统(71)通过通信接口电路(73)实现与触摸屏或上位机的通信功能。

Claims (7)

1.一种高分辨率变频且相位可调的互补输出驱动控制方法，其特征在于，包括：嵌入式微处理器电路(7)发送频率和相位参数到频率、相位调节电路(1)，经滤波电路(2)及频率、相位调节电路(1)形成方波信号，该方波通过频率反馈跟踪校验电路(3)和相位反馈跟踪校验电路(4)，反馈到嵌入式微处理器电路(7)，与给定的频率和相位进行比较，如果频率和相位正确，则该方波通过保护和互补输出电路(5)及驱动隔离电路(6)，形成逆变电路的驱动控制信号；如果不正确，嵌入式微处理器电路(7)封锁信号输出，并重新发送参数，同时把相关信息通过串口显示到触摸屏上或上位机。

2.根据权利要求1所述的高分辨率变频且相位可调的互补输出驱动控制方法，其特征在于频率、相位调节电路(1)采用AD9850(IC1)，与嵌入式微处理器电路(7)以串行接口方式接口。

3.根据权利要求1或2所述的高分辨率变频且相位可调的互补输出驱动控制方法，其特征在于频率、相位调节电路(1)采用压控2阶有源的低通滤波电路(2)，滤掉正弦信号中的高次谐波。

4.根据权利要求1所述的高分辨率变频且相位可调的互补输出驱动控制方法，其特征在于所述相位反馈跟踪校验电路(4)包括：并联输入连接的D型触发器CD4013(IC2)和异或电路74HC86(IC3)，及与异或电路74HC86(IC3)串联的积分电路(41)。

5.根据权利要求1所述的高分辨率变频且相位可调的互补输出驱动控制方法，其特征在于所述保护和互补输出电路(5)包括：保护、控制信号合成电路(52)和与其相连的死区、互补生成电路(51)。

6.根据权利要求1所述的高分辨率变频且相位可调的互补输出驱动控制方法，其特征在于所述驱动隔离电路(6)包括：顺序连接的放大电路(61)、隔离电路(62)和保护电路(63)。

7.根据权利要求1所述的高分辨率变频且相位可调的互补输出驱动控制方法，其特征在于所述嵌入式微处理器电路(7)包括：嵌入式微处理器最小系统(71)、复位电路(72)及通信接口电路。

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