專利名稱：高分辨率變頻且相位可調(diào)的互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆變電路驅(qū)動(dòng)控制方法，尤其涉及一種要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位可調(diào)，同時(shí)要求其頻率連續(xù)、高精度微調(diào)的逆變電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制。本方法可以用于開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、逆變器、超聲波發(fā)生器、充電器等方面等。
背景技術(shù)：
近年來(lái)以逆變電路為核心的變頻技術(shù)不斷提高，變頻技術(shù)應(yīng)用的日益增長(zhǎng)，為節(jié)約能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量和發(fā)展生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。逆變電路必須由驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)進(jìn)行控制，隨著工藝要求的復(fù)雜性提高，往往要求驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)頻率的調(diào)節(jié)具有快速、準(zhǔn)確性，同時(shí)頻率能夠進(jìn)行微調(diào)和相位的改變。有些控制過(guò)程要求驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)頻率能夠按一定的步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
利用微處理器的PWM功能雖然可是實(shí)現(xiàn)逆變電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的準(zhǔn)確輸出，但是由于微處理器的工作頻率和控制寄存器的限制，往往其輸出的逆變電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率范圍不會(huì)很寬，同時(shí)也不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)頻率的微調(diào)，分辨率不高。
文獻(xiàn)《TL494脈寬調(diào)制器集成電路的研究》吉林化學(xué)化工學(xué)報(bào)2005年6月第3期，采用壓控振蕩器可以完成頻率可調(diào)的逆變電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其輸出的頻率由外接的電阻和電容的值決定，需要改變輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率時(shí)，必須通過(guò)改變電阻或電容的值來(lái)進(jìn)行，不能實(shí)現(xiàn)在線的連續(xù)調(diào)整，同時(shí)由于電阻或電容帶來(lái)的誤差得到的頻率精度也得不到保證。其頻率的分辨率只有數(shù)十赫茲，無(wú)法實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)，并且信號(hào)的相位也不能實(shí)現(xiàn)在線地調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高分辨率變頻且相位可調(diào)的互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)控制方法。
其特征在于首先所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和相位等參數(shù)，由人機(jī)界面或上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送到嵌入式微處理器電路，由微處理器進(jìn)行計(jì)算后以串行方式寫入到高分辨率頻率、相位調(diào)節(jié)電路中相關(guān)的寄存器中，頻率、相位調(diào)節(jié)電路根據(jù)寄存器中的內(nèi)容，采用直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)形成一定頻率和相位的正弦波，該正弦波經(jīng)過(guò)濾波電路低通濾波后，重新回到高分辨率頻率、相位調(diào)節(jié)電路，經(jīng)過(guò)頻率、相位調(diào)節(jié)電路內(nèi)的高速比較器形成一定頻率和相位的方波。該方波通過(guò)頻率反饋跟蹤校驗(yàn)電路和相位反饋跟蹤校驗(yàn)電路，反饋到嵌入式微處理器電路，與給定的頻率和相位進(jìn)行比較，如果頻率和相位正確，則該方波通過(guò)保護(hù)和互補(bǔ)輸出電路及驅(qū)動(dòng)隔離電路，形成逆變電路的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)；如果頻率和相位不正確，該方波不通過(guò)保護(hù)和互補(bǔ)輸出電路及驅(qū)動(dòng)隔離電路，而是由微處理器重新發(fā)送特定字節(jié)到頻率、相位調(diào)節(jié)電路，形成閉環(huán)反饋保護(hù)，并把相關(guān)信息通過(guò)串口接入到人機(jī)接口部分由觸摸屏上或上位機(jī)顯示出來(lái)。
由于逆變電路往往是三相，所以要求具有三相的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。具體包括(1)3組高分辨率頻率、相位調(diào)節(jié)電路，其受嵌入式微控制電路的控制，根據(jù)不同指令內(nèi)容產(chǎn)生頻率可調(diào)的高精度、高分辨率的方波信號(hào)，同時(shí)，3組方波輸出信號(hào)的相位也可以根據(jù)嵌入式微控制器的指令而改變，從而實(shí)現(xiàn)頻率和相位的調(diào)整。它們是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分；(2)3路頻率反饋跟蹤校驗(yàn)電路，其檢測(cè)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的頻率，對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的頻率加以校驗(yàn)；(3)3組相位反饋跟蹤校驗(yàn)電路，其檢測(cè)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的相位，對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的相位加以校驗(yàn)；(4)3組保護(hù)和互補(bǔ)輸出電路，把3組方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成插入死區(qū)的6個(gè)互補(bǔ)輸出的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。同時(shí)引入保護(hù)控制信號(hào)，當(dāng)逆變主電路發(fā)生異常(過(guò)流，過(guò)壓，超溫)時(shí)，產(chǎn)生封鎖脈沖信號(hào)，關(guān)斷6個(gè)互補(bǔ)輸出的驅(qū)動(dòng)控制控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主電路的保護(hù)；(5)3組驅(qū)動(dòng)隔離電路，從抗干擾、安全和驅(qū)動(dòng)能力上考慮，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)一般不能直接連接到逆變電路上，必須通過(guò)驅(qū)動(dòng)隔離電路才能完成；(6)3組濾波電路，濾除系統(tǒng)中的高次諧波的干擾信號(hào)；(7)人機(jī)接口部分，通過(guò)觸摸屏，完成人機(jī)交互功能；(8)嵌入式微處理器電路，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，采用嵌入式微處理器的最小系統(tǒng)完成對(duì)上述電路的控制和檢測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和通信功能。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是隨著生產(chǎn)設(shè)備的復(fù)雜程度不斷提高，滿足逆變控制電路的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)能夠智能快速、靈活、準(zhǔn)確地輸出，并自動(dòng)反饋跟蹤驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的頻率；能夠靈活方便地對(duì)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的頻率進(jìn)行高精度微調(diào)(在30MHz參考時(shí)鐘輸入下，輸出頻率具有0.00698Hz的分辨率)和校正；按照給定的步長(zhǎng)自動(dòng)更新驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的頻率；同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的相位能夠根據(jù)驅(qū)動(dòng)對(duì)象的不同在線地進(jìn)行調(diào)節(jié)(180°、90°、45°、22.5°、11.25°或者是它們構(gòu)成的組合)，并動(dòng)態(tài)反饋跟蹤相位的變化。為了達(dá)到驅(qū)動(dòng)逆變橋的目的，具有六路互補(bǔ)輸出功能。并且采用必要的死區(qū)插入及相關(guān)的封鎖脈沖等保護(hù)功能。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本發(fā)明的頻率、相位調(diào)節(jié)電路。
圖3是本發(fā)明的濾波電路。
圖4是本發(fā)明的相位反饋跟蹤校驗(yàn)電路。
圖5是本發(fā)明的保護(hù)和互補(bǔ)輸出電路。
圖6是本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)隔離電路。
圖7是本發(fā)明的嵌入式微處理器電路。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。嵌入式微處理器電路(7)發(fā)送頻率和相位參數(shù)到頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)，經(jīng)濾波電路(2)及頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)形成方波信號(hào)，該方波通過(guò)頻率反饋跟蹤校驗(yàn)電路(3)和相位反饋跟蹤校驗(yàn)電路(4)，反饋到嵌入式微處理器電路(7)，與給定的頻率和相位進(jìn)行比較，如果頻率和相位正確，則該方波通過(guò)保護(hù)和互補(bǔ)輸出電路(5)及驅(qū)動(dòng)隔離電路(6)，形成逆變電路的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。如果不正確，嵌入式微處理器電路(7)封鎖信號(hào)輸出，并重新發(fā)送參數(shù)，同時(shí)把相關(guān)信息通過(guò)串口顯示到觸摸屏上或上位機(jī)。
嵌入式微處理器電路(7)根據(jù)接收到人機(jī)交互部分(觸摸屏)或上位機(jī)通信下發(fā)的信息內(nèi)容如驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的頻率、驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)之間的不同相位，形成頻率、相位調(diào)節(jié)電路的控制參數(shù)，并以串行的方式分別下發(fā)到3組頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)。3組頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)根據(jù)不同的參數(shù)利用直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)形成所需要的頻率和相位的正弦波信號(hào)，3組輸出的正弦波信號(hào)由于含有較高次的諧波，所以必須通過(guò)低通濾波電路(2)才能得到頻譜純正的正弦波。3組正弦波通過(guò)頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)內(nèi)部的比較器，生成3組方波信號(hào)。3組方波信號(hào)通過(guò)保護(hù)、互補(bǔ)輸出電路(5)，形成具有死區(qū)插入的6互補(bǔ)輸出的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)隔離電路(6)形成逆變電路的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。
為了保證輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率和相位的正確、可靠，本發(fā)明設(shè)計(jì)頻率反饋跟蹤電路(3)和相位反饋跟蹤電路(4)，只有當(dāng)輸出的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)頻率和相位的誤差在規(guī)定的范圍內(nèi)，才允許驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出有效，否則就重新設(shè)置。同時(shí)把相關(guān)信息通過(guò)人機(jī)交互部分顯示在觸摸屏或上發(fā)到上位機(jī)。
如圖2所示，是本發(fā)明的3組頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)中的一組。本電路采用ADI公司的AD9850(IC1)的高集成度直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)器件。它內(nèi)部包括可編程的直接數(shù)字式頻率合成系統(tǒng)、高性能DAC及高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。接上精密時(shí)鐘源(G2)，嵌入式微處理器(7)通過(guò)串行接口方式，由AD9850(IC1)的25腳DA7寫入控制字?？刂谱謱懭氲目刂茣r(shí)序信號(hào)通過(guò)嵌入式微處理器(7)由AD9850(IC1)的8腳50F1和7腳50W1控制完成。這樣，AD9850(IC1)的21腳就可以生成一個(gè)頻譜純正的頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。此正弦波經(jīng)過(guò)低通濾波電路(2)，經(jīng)AD9850(IC1)的16腳進(jìn)入，通過(guò)內(nèi)部高速比較器轉(zhuǎn)換成方波，由AD9850(IC1)的14腳PL1輸出。另外2組頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)輸出PL2及PL3。
圖3是本發(fā)明設(shè)計(jì)的低通濾波器(2)。根據(jù)所需截至頻率的不同，設(shè)計(jì)不同階數(shù)的低通濾波器。由于驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)多數(shù)是驅(qū)動(dòng)逆變電路的電力電子器件，考慮到器件的開(kāi)關(guān)頻率，本濾波器是500KHz二階有源壓控低通濾波器。由于有源濾波器中，大多數(shù)運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益不夠和頻帶的限制，有源濾波器主要應(yīng)用在低頻場(chǎng)合，無(wú)源濾波器用在高頻場(chǎng)合。
頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)中AD9850(IC1)14腳PL1輸出的方波直接反饋接入嵌入式微處理器(7)中IC8的24腳(PL2和PL3的反饋信號(hào)接在分別接在IC8的23腳和22腳)形成頻率反饋跟蹤電路(3)。該電路利用IC8的輸入捕捉功能進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)，從而完成驗(yàn)證輸出頻率的正確性。
圖4是本發(fā)明設(shè)計(jì)的3組相位反饋跟蹤電路(4)中的一組。由頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)輸出的兩個(gè)輸出信號(hào)PL1和PL2經(jīng)過(guò)D型觸發(fā)器CD4013(IC2)的1腳輸出YX1的高、低電平來(lái)判斷超前、滯后情況。PL1和PL2經(jīng)過(guò)異或電路74HC86(IC3)，經(jīng)過(guò)由積分電路(41)形成與相位差大小成正比的直流電壓信號(hào)XW1。XW1連接到嵌入式微處理器(7)中IC8的25腳，經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換，得到相位差的大小，同時(shí)通過(guò)判斷嵌入式微處理器(7)中IC8的38腳上YX1的高低狀態(tài)判斷超前、滯后的情況，從而完成相位的反饋和跟蹤。PL1和PL3、PL2和PL3接到另外2組相位反饋跟蹤電路(4)。
圖5是本發(fā)明的3組保護(hù)和互補(bǔ)輸出電路(5)中的一組。該電路由死區(qū)、互補(bǔ)生成電路(51)和保護(hù)、控制合成信號(hào)電路(52)構(gòu)成。電路主體采用IR21844(IC6)芯片設(shè)計(jì)。由頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)產(chǎn)生的PL1信號(hào)經(jīng)與門電路CD4081(IC7)整形調(diào)整后，接入到IR21844(IC6)的1腳，當(dāng)IR21844(IC6)的2腳是高電平時(shí)，從12腳UP和6腳DOWN輸出一組具有死區(qū)的反相的互補(bǔ)信號(hào)(防止逆變橋上、下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，而造成短路)，通過(guò)調(diào)節(jié)R9的大小，可以調(diào)節(jié)插入死區(qū)的大小。當(dāng)IR21844(IC6)的2腳是低電平時(shí)，從12腳UP和6腳DOWN輸出均為低電平，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的封鎖。各種保護(hù)信號(hào)(過(guò)壓、過(guò)流、超溫等)以及來(lái)自嵌入式微處理器(7)的控制信號(hào)CONT經(jīng)過(guò)與門CD4081(IC7)連接到IR21844(IC6)的2腳，形成控制和保護(hù)信號(hào)。PL2和PL3分別接到另外2組保護(hù)和互補(bǔ)輸出電路(5)。
圖6是本發(fā)明的3組驅(qū)動(dòng)隔離電路(6)中的一組(其它2組相同)。由保護(hù)和互補(bǔ)輸出電路(5)輸出的UP和DOWN信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路(61)、隔離變壓器構(gòu)成的隔離電路(62)及保護(hù)電路(63)輸出，最終輸出逆變電路的主電路驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。
圖7是本發(fā)明的嵌入式微處理器電路(7)。該電路由嵌入式微處理器最小系統(tǒng)(71)、復(fù)位電路(72)和通信接口電路(73)組成。嵌入式微處理器最小系統(tǒng)(71)采用摩托羅拉MC68HC908GP32(IC8)作為中央CPU，該處理器是Motorola最新推出的8位新型單片機(jī)，該單片機(jī)片內(nèi)資源豐富、功能特別強(qiáng)大。片內(nèi)512個(gè)RAM字節(jié)，程序和重要的數(shù)據(jù)可以存放在片內(nèi)的32K字節(jié)的FLASH中，PTA、PTB、PTC、PTD和PTE所有管腳均可以定義為輸入或輸出口，通過(guò)復(fù)用方式，PTB口可以定義為A/D接口，PTE口可以定義為SCI方式，同時(shí)通過(guò)鎖相環(huán)技術(shù)總線時(shí)鐘速率高達(dá)8M，最小指令周期128ns。嵌入式微處理器電路(7)通過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌谕瓿珊皖l率、相位調(diào)節(jié)電路(1)、頻率反饋跟蹤電路(3)、相位反饋跟蹤電路(4)及保護(hù)和互補(bǔ)輸出電路(5)的連接，形成整個(gè)系統(tǒng)的控制和測(cè)量中心。
復(fù)位電路(72)為嵌入式微處理器最小系統(tǒng)(71)和頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)提供上電復(fù)位信號(hào)。
嵌入式微處理器最小系統(tǒng)(71)通過(guò)通信接口電路(73)實(shí)現(xiàn)與觸摸屏或上位機(jī)的通信功能。
權(quán)利要求
1.一種高分辨率變頻且相位可調(diào)的互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)控制方法，其特征在于，包括嵌入式微處理器電路(7)發(fā)送頻率和相位參數(shù)到頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)，經(jīng)濾波電路(2)及頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)形成方波信號(hào)，該方波通過(guò)頻率反饋跟蹤校驗(yàn)電路(3)和相位反饋跟蹤校驗(yàn)電路(4)，反饋到嵌入式微處理器電路(7)，與給定的頻率和相位進(jìn)行比較，如果頻率和相位正確，則該方波通過(guò)保護(hù)和互補(bǔ)輸出電路(5)及驅(qū)動(dòng)隔離電路(6)，形成逆變電路的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)；如果不正確，嵌入式微處理器電路(7)封鎖信號(hào)輸出，并重新發(fā)送參數(shù)，同時(shí)把相關(guān)信息通過(guò)串口顯示到觸摸屏上或上位機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率變頻且相位可調(diào)的互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)控制方法，其特征在于頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)采用AD9850(IC1)，與嵌入式微處理器電路(7)以串行接口方式接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高分辨率變頻且相位可調(diào)的互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)控制方法，其特征在于頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)采用壓控2階有源的低通濾波電路(3)，濾掉正弦信號(hào)中的高次諧波。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率變頻且相位可調(diào)的互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)控制方法，其特征在于所述相位反饋跟蹤校驗(yàn)電路(4)包括并聯(lián)輸入連接的D型觸發(fā)器CD4013(IC2)和異或電路74HC86(IC3)，及與異或電路74HC86(IC3)串聯(lián)的積分電路(41)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率變頻且相位可調(diào)的互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)控制方法，其特征在于所述保護(hù)和互補(bǔ)輸出電路(5)包括保護(hù)、控制信號(hào)合成電路(52)和與其相連的死區(qū)、互補(bǔ)生成電路(51)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率變頻且相位可調(diào)的互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)控制方法，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)隔離電路(6)包括順序連接的放大電路(61)、隔離電路(62)和保護(hù)電路(63)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率變頻且相位可調(diào)的互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)控制方法，其特征在于所述嵌入式微處理器電路(7)包括嵌入式微處理器最小系統(tǒng)(71)、復(fù)位電路(72)及通信接口電路。
全文摘要
本發(fā)明提供一種全數(shù)字化智能的逆變電路驅(qū)動(dòng)控制方法，其經(jīng)嵌入式微處理器電路(7)發(fā)送頻率和相位參數(shù)到頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)，經(jīng)濾波電路(2)及頻率、相位調(diào)節(jié)電路(1)形成方波信號(hào)，該方波通過(guò)頻率反饋跟蹤校驗(yàn)電路(3)和相位反饋跟蹤校驗(yàn)電路(4)，反饋到嵌入式微處理器電路(7)，與給定的頻率和相位比較判斷正確后，該方波通過(guò)保護(hù)和互補(bǔ)輸出電路(5)及驅(qū)動(dòng)隔離電路(6)，形成逆變電路的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，同時(shí)把相關(guān)信息發(fā)送到人機(jī)部分。本發(fā)明可自動(dòng)反饋跟蹤驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的頻率和相位，能夠?qū)︱?qū)動(dòng)控制信號(hào)的頻率和相位進(jìn)行高精度微調(diào)和校正，按照給定的步長(zhǎng)自動(dòng)更新驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的頻率，具有死區(qū)插入及封鎖脈沖等保護(hù)功能。
文檔編號(hào)H02M1/00GK1964174SQ20061009748
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者孫運(yùn)全, 孫玉坤, 朱熀秋, 楊建寧, 茅靖峰 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)