潘 水，劉長(zhǎng)甲，李恒松

（1.國(guó)營(yíng)洛陽(yáng)丹城無(wú)線(xiàn)電廠(chǎng)，河南 洛陽(yáng) 471000；2.洛陽(yáng)科技職業(yè)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000）

115 V/400 Hz 三相中頻電源廣泛應(yīng)用于工業(yè)和國(guó)防領(lǐng)域，電壓和頻率參數(shù)根據(jù)使用場(chǎng)景的不同，在一定范圍內(nèi)可調(diào)[1-2]。盡管閉環(huán)控制較為可靠，但存在成本高、參數(shù)不斷反饋修正等不足，綜合考慮性?xún)r(jià)比、需求目標(biāo)等因素，開(kāi)環(huán)控制屬于多數(shù)選擇[3]。

電源傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)調(diào)整方式為手動(dòng)調(diào)整電位器旋鈕，通過(guò)改變單片機(jī)采樣電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓和頻率參數(shù)的調(diào)整；這種方式存在采集電壓有偏差、難以精確控制以及調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)[4-5]。該文通過(guò)設(shè)置脈沖信號(hào)的數(shù)量，經(jīng)單片機(jī)采集后設(shè)置電源輸出電壓和頻率，實(shí)現(xiàn)電源輸出參數(shù)的快速精準(zhǔn)控制。

1 系統(tǒng)總體方案

三相中頻電源采用全數(shù)字化SA8282 智能化三相SPWM 波形發(fā)生器，單片機(jī)采集外部輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)總線(xiàn)設(shè)置SA8282 的幅值和頻率控制字，就能方便地改變電源輸出電壓和頻率[6-8]。系統(tǒng)主要由AT89C51 單片機(jī)、SA8282 波形發(fā)生器、82C54 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、X25045 看門(mén)狗電路、電壓電流采集電路、功放模塊、變壓器、脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路等組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。AT89C51 單片機(jī)通過(guò)82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器讀取脈沖信號(hào)數(shù)量，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出電源的輸出電壓和頻率，通過(guò)總線(xiàn)設(shè)置SA8282波形發(fā)生器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)電壓和頻率的三相正弦波信號(hào)，經(jīng)功放模塊、變壓器隔離升壓后輸出。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

三相中頻電源開(kāi)環(huán)控制電路設(shè)計(jì)方法：通過(guò)設(shè)置電源面板電壓及頻率參數(shù)，由定時(shí)器和減法器將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖信號(hào)，然后發(fā)送給82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，最終由單片機(jī)進(jìn)行采樣和處理，控制電源的輸出電壓和頻率。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由電源控制電路、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換電路、開(kāi)環(huán)控制電路等組成。電源控制電路是整個(gè)電源的核心，主要完成開(kāi)環(huán)控制脈沖信號(hào)的采集，控制SA8282 波形發(fā)生器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)電壓和頻率的三相正弦波。基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換電路完成電壓和頻率之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，減少傳遞誤差，保證電壓設(shè)置和頻率設(shè)置一樣準(zhǔn)確。開(kāi)環(huán)控制電路完成電源輸出電壓和頻率的設(shè)置，將其轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖信號(hào)，然后送給單片機(jī)采樣。

三相SPWM 發(fā)生器SA8282 由單片機(jī)通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行控制[9-12]，輸出電壓和頻率的調(diào)整是通過(guò)采集外部輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后，根據(jù)設(shè)定值和實(shí)際值的差進(jìn)行PID 運(yùn)算，控制SA8282 輸出的電壓和頻率。

傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制電路設(shè)計(jì)原理：將通過(guò)面板旋鈕設(shè)置的電壓和頻率參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)行采樣后，通過(guò)軟件算法計(jì)算，設(shè)置SA8282 波形發(fā)生器的電壓和頻率。

該文開(kāi)環(huán)控制電路設(shè)計(jì)原理：將通過(guò)面板撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置的電壓和頻率參數(shù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖信號(hào)，由82C54 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器進(jìn)行采集，然后通過(guò)單片機(jī)軟件算法計(jì)算，設(shè)置SA8282 波形發(fā)生器的電壓和頻率。

兩種控制方式相比，采樣脈沖數(shù)量比采樣電壓具有更高的精度和更好的準(zhǔn)確性，更具有控制優(yōu)勢(shì)。

2.1 電源控制電路

電源控制電路主要由AT89C51 單片機(jī)、82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、SA8282 波形發(fā)生器、X25045 看門(mén)狗電路和晶振等構(gòu)成。單片機(jī)對(duì)SA8282 進(jìn)行初始化并對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)完成對(duì)開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制算法的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理；讀取輸入狀態(tài)信號(hào)、控制指令輸出、外部中斷信號(hào)的響應(yīng)以及保護(hù)功能的邏輯判斷等[13-15]。由于A(yíng)T89C51 和SA8282 共用一個(gè)石英晶振，故同步性能穩(wěn)定、漂移小。SA8282 可以獨(dú)立工作，只有更新運(yùn)行參數(shù)時(shí)才需要單片機(jī)介入。單片機(jī)采用PID 算法[16]調(diào)節(jié)SA8282 參數(shù)，從而控制其輸出電壓，同時(shí)對(duì)變壓器輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制。

SA8282 工作原理如下：

1）初始化參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)工作前，先進(jìn)行初始化，單片機(jī)通過(guò)控制總線(xiàn)、地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)向SA8282寄存器寫(xiě)入載波頻率、調(diào)制波頻率、最小脈寬、死區(qū)時(shí)間等工作參數(shù)的控制字，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

2）產(chǎn)生波形。SA8282 從控制寄存器和波形存儲(chǔ)器讀取波形數(shù)據(jù)參數(shù)，并通過(guò)相位和控制邏輯產(chǎn)生三相正弦波信號(hào)。

3）三相輸出控制。輸出控制包含脈沖取消電路和脈沖延時(shí)電路，脈沖取消電路用來(lái)將脈沖寬度小于取消時(shí)間的脈沖剔除掉；脈沖延時(shí)電路用來(lái)保證死區(qū)間隔，防止出現(xiàn)器件同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。

2.2 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換電路

基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換電路主要由TL431B 基準(zhǔn)電壓芯片、LM231 壓頻轉(zhuǎn)換器、電容、電位器和電阻等組成，電路原理圖如圖2 所示，主要實(shí)現(xiàn)電壓和頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，保證電壓設(shè)置的準(zhǔn)確性[17-18]。

圖2 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換電路原理圖

定期使用高精度數(shù)字多用表（如Agilent34401）校準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓，該電壓一方面給壓頻轉(zhuǎn)換器進(jìn)行頻率校準(zhǔn)；另一方面提供給電源作為采樣的基準(zhǔn)電壓。定期使用高精度數(shù)字多用表標(biāo)定基準(zhǔn)頻率，使其滿(mǎn)足頻率控制精度要求。

2.3 開(kāi)環(huán)控制電路

開(kāi)環(huán)控制電路有頻率開(kāi)環(huán)控制電路和電壓開(kāi)環(huán)控制電路，兩種電路組成及工作原理類(lèi)同，以頻率開(kāi)環(huán)控制電路為例進(jìn)行分析。

頻率開(kāi)環(huán)控制電路主要由40192 十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器、555 定時(shí)器、撥碼開(kāi)關(guān)、4081 與門(mén)、排阻、電阻、電位器和電容等構(gòu)成，電路工作原理簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖3 開(kāi)環(huán)控制電路原理圖

其工作原理：首先，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)進(jìn)行設(shè)置，確定計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)；然后，按壓置數(shù)開(kāi)關(guān)（不自鎖），一方面使555 定時(shí)器開(kāi)始起振；另一方面將預(yù)置數(shù)裝訂到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器中。555 定時(shí)器起振后持續(xù)產(chǎn)生脈沖，每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器從預(yù)置數(shù)中減少一個(gè)數(shù)，此時(shí)由于借位脈沖輸出端為高電平，脈沖可以通過(guò)與門(mén)供單片機(jī)采樣；直至將預(yù)置數(shù)全部減完，產(chǎn)生一個(gè)借位信號(hào)，關(guān)閉與門(mén)，使脈沖信號(hào)不再輸出。

頻率數(shù)據(jù)設(shè)置：頻率可調(diào)范圍為320.0～400.0 Hz，頻率設(shè)置對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)量為3 200～4 000。以置數(shù)3 200為例，其四個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)的撥碼開(kāi)關(guān)從高位到低位依次置數(shù)0011、0010、0000、0000；若置數(shù)4 000，其四個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)的撥碼開(kāi)關(guān)從高位到低位依次置數(shù)0100、0000、0000、0000。

電壓數(shù)據(jù)設(shè)置：電壓可調(diào)范圍為105.0～125.0 V，電壓設(shè)置對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)量為1 050～1 250。以置數(shù)1 050 為例，其四個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)的撥碼開(kāi)關(guān)從高位到低位依次置數(shù)0001、0000、0101、0000；若置數(shù)1 250，其四個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)的撥碼開(kāi)關(guān)從高位到低位依次置數(shù)0001、0010、0101、0000。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件流程圖如圖4 所示。

圖4 軟件流程圖

軟件首先對(duì)SA8282 三相正弦波產(chǎn)生器進(jìn)行初始化，包括設(shè)置載頻范圍及電源頻率范圍，設(shè)置初始輸出電壓為115 V、設(shè)置初始輸出頻率為400 Hz 等。

讀取外部輸入電壓設(shè)定值，將當(dāng)前輸出電壓值與電壓設(shè)定值進(jìn)行比較，并運(yùn)用PID 增量式算法算出電壓調(diào)整量，將該數(shù)據(jù)寫(xiě)入SA8282 的幅值控制寄存器中，并不斷比較二者差值，使電壓值最終保持一致。

讀取外部輸入頻率設(shè)定值，將當(dāng)前輸出頻率值與頻率設(shè)定值進(jìn)行比較，并運(yùn)用PID 增量式算法算出頻率調(diào)整量，將該數(shù)據(jù)寫(xiě)入SA8282 的頻率控制寄存器中，并不斷比較二者差值，使頻率值最終保持一致。

輸出電壓電流采集電路開(kāi)始工作后，若有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路等情況發(fā)生，向單片機(jī)發(fā)送中斷信號(hào)，單片機(jī)接收到中斷信號(hào)后同步采集電壓電流信號(hào)，然后關(guān)斷輸出，根據(jù)采集的電壓電流信號(hào)判定屬于過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路何種情況，并給出對(duì)應(yīng)的報(bào)警提示。

設(shè)計(jì)看門(mén)狗電路，通過(guò)軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間，時(shí)間長(zhǎng)短根據(jù)程序的循環(huán)周期確定，監(jiān)控時(shí)間比系統(tǒng)正常工作時(shí)最大循環(huán)周期略長(zhǎng)。正常工作時(shí)，看門(mén)狗定時(shí)時(shí)間永遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)置時(shí)間。若出現(xiàn)死機(jī)、程序跑飛等異常情況，在預(yù)置的時(shí)間內(nèi)若沒(méi)有被清零，則輸出RESET 信號(hào)，系統(tǒng)復(fù)位，使其重新進(jìn)入工作狀態(tài)，從而保證了系統(tǒng)工作的可靠性。

一個(gè)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)與管理合理與否，終究還是人起作用。企業(yè)中人力資源部門(mén)作為管理員工的專(zhuān)職部門(mén)，更要在企業(yè)的經(jīng)濟(jì)管理中發(fā)揮出激勵(lì)員工的作用。這要求企業(yè)要進(jìn)行人力資源培訓(xùn)，培養(yǎng)人資部門(mén)員工的責(zé)任道德意識(shí)和管理能力，使他們積極主動(dòng)的進(jìn)行人力資源工作。企業(yè)在進(jìn)行人力資源管理時(shí)，一定要按照員工的優(yōu)勢(shì)以及自身意愿將其安排在最適當(dāng)?shù)奈恢?，使人員分布合理，使人資部門(mén)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，這樣才便于讓不同崗位的員工發(fā)揮各自的作用。

電源進(jìn)入工作狀態(tài)后，系統(tǒng)選用電壓互感器和電流互感器實(shí)時(shí)對(duì)電源三相輸出電壓電流進(jìn)行采集，分時(shí)選通后傳送給單片機(jī)進(jìn)行過(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)識(shí)別及處理。若出現(xiàn)電壓電流超差時(shí)，向單片機(jī)發(fā)送中斷信號(hào)，單片機(jī)實(shí)時(shí)響應(yīng)并同步采集電壓電流信號(hào)，然后關(guān)斷輸出，根據(jù)采集電壓電流信號(hào)判定屬于何種情況，并給出對(duì)應(yīng)的報(bào)警提示。

3.2 參數(shù)計(jì)算方法

對(duì)電源的載波頻率、調(diào)制波頻率、輸出頻率、輸出電壓等關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行推算。

載波頻率設(shè)定：設(shè)定字由FRS0～FRS2 三位組成，設(shè)定字m計(jì)算公式如下：

式中，fc為載波頻率，取12 kHz；fclk為時(shí)鐘頻率，取12 MHz；經(jīng)計(jì)算載波頻率設(shè)定字m=2。

調(diào)制波頻率范圍設(shè)定：設(shè)定字由CSF0～CSF2 三位組成，設(shè)定字n計(jì)算公式如下：

式中，fR為調(diào)制波頻率，取512 Hz；fc為載波頻率，取12 kHz；經(jīng)計(jì)算調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字n=4。

輸出頻率設(shè)定：設(shè)定字由PFS0～PFS15 十六位組成，設(shè)定字PFS 計(jì)算公式如下：

式中，fpower為電源輸出頻率，取400.0 Hz；fR為調(diào)制波頻率范圍，取512 Hz，經(jīng)計(jì)算輸出頻率設(shè)定字PFS=51 200=C800H；若fpower取360.0 Hz，經(jīng)計(jì)算輸出頻率設(shè)定字PFS=46 080=B400H；若fpower取320.0 Hz，經(jīng)計(jì)算輸出頻率設(shè)定字PFS=40 960=A000H。

輸出電壓設(shè)定：輸出電壓通過(guò)改變調(diào)制波幅值來(lái)改變，調(diào)制波幅值是由八位幅值選擇字（RAMP、YAMP、BAMP）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，設(shè)定字AMP計(jì)算公式如下：

為保證輸出電壓滿(mǎn)足使用要求，對(duì)SA8282 產(chǎn)生的正弦波信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)放大電路、功放模塊、隔離變壓器共放大32 倍，放大倍數(shù)通過(guò)功放模塊運(yùn)放電路進(jìn)行調(diào)整。

若電源輸出電壓取115.0 V，則Apower為115.0/32=3.594，經(jīng)計(jì)算輸出電壓設(shè)定字AMP=183=B7H。若電源輸出電壓取105.0 V，經(jīng)計(jì)算輸出電壓設(shè)定字AMP=167=A7H；若電源輸出電壓取125.0 V，經(jīng)計(jì)算輸出電壓設(shè)定字AMP=199=C7H。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)三相中頻電源設(shè)置電壓、設(shè)置頻率、輸出電壓、輸出頻率等參數(shù)選取不同電壓、不同頻率進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1 可以看出，該電源輸出電壓和頻率與設(shè)置電壓和頻率一致性較好，電壓在105.0～125.0 V 范圍內(nèi)，控制精度在0.5 V 以?xún)?nèi)，頻率在320.0～400.0 Hz范圍內(nèi)，控制精度在0.1 Hz 以?xún)?nèi)，頻率的控制精度優(yōu)于電壓控制精度。該電源性能滿(mǎn)足某型測(cè)試儀規(guī)定的頻率控制精度在0.2 Hz 以?xún)?nèi)，電壓控制精度在2.9 V 以?xún)?nèi)的要求。

由于SA8282 輸出頻率控制字為十六位，所以頻率控制精度很高；輸出電壓控制字為八位，所以電壓控制精度略低。通過(guò)調(diào)整電源功放模塊的放大倍數(shù)，可以保證某個(gè)具體電壓值準(zhǔn)確，但不能保證可調(diào)范圍內(nèi)其他電壓值準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了一種三相中頻電源開(kāi)環(huán)控制電路，利用單片機(jī)計(jì)數(shù)準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)控制脈沖信號(hào)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓和頻率的快速準(zhǔn)確控制；采用對(duì)基準(zhǔn)電壓和壓頻轉(zhuǎn)換電路定期校準(zhǔn)的方法，減少傳遞誤差，從而實(shí)現(xiàn)電源電壓的精確控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電源電壓在105.0～125.0 V 范圍內(nèi)，控制精度達(dá)到0.5 V，頻率在320.0～400.0 Hz 范圍內(nèi)，控制精度達(dá)到0.1 Hz，電壓控制精度略顯不足。