Intel80C196MC微處理器在靜止逆變電源中的應(yīng)用

摘要：簡(jiǎn)要介紹采用80C196MC單片機(jī)研制的三相靜止逆變電源電路硬件、軟件設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，這一方案能夠滿足應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：正弦脈寬調(diào)制靜止逆變電源

The Application of Intel 80C196MC Microprocessor

in Static? inverter Power Supply

Abstract: This paper presents a design precept of static? inverter power supply using Intel 80C196MC microprocessor and shows the circuit block and the programming idea. The experimental results show that this precept can meet the requirements of the application.

Keywords: SPWM， Static? inverter， Power Supply

中圖法分類號(hào)：TM92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0219?2713(2000)08?401?04

1引言

PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過(guò)控制電壓脈沖寬度以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。SPWM（正弦脈寬調(diào)制）是由控制回路產(chǎn)生一組等幅而不等寬的矩形脈沖列，用來(lái)近似正弦電壓波。

常采用的方法有3種：一是完全由模擬電路生成；二是由數(shù)字電路生成；三是由專用集成芯片生成。模擬方法電路復(fù)雜，硬件太多，抗干擾性能差，有溫漂現(xiàn)象，難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化PWM控制（最優(yōu)化PWM的調(diào)制波都不是正弦波），系統(tǒng)可靠性低；數(shù)字方法按照不同的數(shù)字模型用計(jì)算機(jī)算出各切換點(diǎn)，將其存入內(nèi)存，然后通過(guò)查表及必要的計(jì)算產(chǎn)生SPWM波，該方法調(diào)頻范圍不寬。輸出的PWM波1/4軸不對(duì)稱，會(huì)產(chǎn)生偶次諧波，低頻區(qū)尤其嚴(yán)重，且占用內(nèi)存大，與系統(tǒng)精度之間存在矛盾；由專用集成芯片生成三相SPWM波的技術(shù)近年來(lái)被廣泛采用，常用的有HEF4752，SLE4520，MA818，MA828，MA838和MITET公司研制的三相、單相PWM產(chǎn)生器SA828，SA838系列芯片。它們多與微處理器連接，完成外圍控制功能，但在系統(tǒng)構(gòu)成上仍然較復(fù)雜。而INTEL公司近期推出的16位微處理器80C196MC，片內(nèi)集成了一個(gè)3相波形發(fā)生器WFG（WaveFormGenerator），這一外設(shè)裝置大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制波形的控制軟件和外部硬件，可構(gòu)成最小單片機(jī)系統(tǒng)同時(shí)協(xié)調(diào)完成SPWM波形生成和整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、保護(hù)、智能控制等?；谏鲜鲈?，本文采用80C196MC來(lái)構(gòu)成靜止逆變電源的控制電路。

280C196MC片內(nèi)波形發(fā)生器WFG簡(jiǎn)介

2.1WFG功能特點(diǎn)

80C196MC片內(nèi)WFG有3個(gè)同步的PWM模塊，每個(gè)模塊包含一個(gè)相位比較寄存器、一個(gè)無(wú)信號(hào)時(shí)間（deadtime）發(fā)生器和一對(duì)可編程的輸出。WFG可產(chǎn)生獨(dú)立的3對(duì)PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無(wú)信號(hào)時(shí)間和操作方式。一旦起動(dòng)以后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時(shí)加以干預(yù)。

WFG產(chǎn)生SPWM波形是在下列專用寄存器的控制下完成的。

（1）雙向計(jì)數(shù)寄存器WG－COUNT：16位雙向計(jì)數(shù)器，是產(chǎn)生輸出信號(hào)的時(shí)基發(fā)生器。每個(gè)狀態(tài)周期WG－COUNT改變一個(gè)計(jì)數(shù)值。用戶可對(duì)WG－RELOAD寄存器進(jìn)行寫操作，而它的值周期地裝入到計(jì)數(shù)器中。

（2）重裝載寄存器WG－RELOAD：該寄存器實(shí)際包含一對(duì)16位寄存器，當(dāng)讀或?qū)懺摷拇嫫鲿r(shí)，訪問(wèn)的是WG－RELOAD寄存器。寫到WG－RELOAD的值，被周期地（取決于操作方式）裝入到第二個(gè)寄存器。這后一個(gè)寄存器叫做計(jì)數(shù)器比較寄存器，它是WG－COUNT實(shí)際與之比較的時(shí)間寄存器。

（3）相位比較寄存器WG－COMPx：共有3個(gè)（X=1，2，3）可讀寫的16位相位比較緩沖器。每一個(gè)相位比較緩沖器有一個(gè)關(guān)聯(lián)的比較寄存器，它的值與每次計(jì)數(shù)后的WG－COUNT相比較。

（4）控制寄存器WG－CON：WG－CON是一個(gè)16位寄存器?？煽刂朴?jì)數(shù)方式及產(chǎn)生3個(gè)10位無(wú)信號(hào)時(shí)間（deadtime）。

（5）輸出控制緩沖寄存器WG－OUT：可用于選擇輸出引腳的輸出信號(hào)方式。可對(duì)每個(gè)引腳獨(dú)立定義有效狀態(tài)。

2.2WFG的基本工作原理

（1）WFG由時(shí)基發(fā)生器、相位驅(qū)動(dòng)通道和控制回路組成：

①時(shí)基發(fā)生器為SPWM建立載波周期。該周期值取決于WG－RELOAD的值；

②相位驅(qū)動(dòng)通道決定SPWM波形的占空比，可編程輸出，每個(gè)相位驅(qū)動(dòng)器包含一個(gè)可編程的無(wú)信號(hào)時(shí)間發(fā)生器；

③控制電路用來(lái)確定工作模式和其它寄存器配置信息。

（2）時(shí)基發(fā)生器WG－COUNT有4種工作方式。當(dāng)選通波形發(fā)生器工作時(shí)，根據(jù)所選擇的工作方式，作為時(shí)基發(fā)生器的WG－COUNT連續(xù)向上計(jì)數(shù)或向上/向下計(jì)數(shù)，每次計(jì)數(shù)時(shí)，WG－COUNT內(nèi)容與計(jì)數(shù)比較寄存器的值作比較，當(dāng)二者匹配時(shí)，按所選擇的工作方式產(chǎn)生相應(yīng)操作。

中心對(duì)準(zhǔn)PWM方式中，載波周期Tc=(4×WG－RELOAD)/Fxtal(μs)

不考慮無(wú)信號(hào)時(shí)間，輸出“有效”的時(shí)間Toutput=(4×WG－COMPx)/Fxtal(μs)。不考慮無(wú)信號(hào)時(shí)間，

　　占空比=（WG?COMPx/WG?RELOAD）×100％

式中WG?RELOAD——16位值；

Fxtal——XTAL1引腳上晶振頻率，MHz；

WG－COMPx——16位值，等于或小于WG－RELOAD。

邊沿對(duì)準(zhǔn)PWM方式，載波周期Tc=(2×WG－RELOAD)/Fxtal(μs)

不考慮無(wú)信號(hào)時(shí)間，輸出“有效”的時(shí)間Toutput=(2×WG－COMPx)/Fxtal(μs)

不考慮無(wú)信號(hào)時(shí)間，占空比=（WG－COMPx/WG－RELOAD）×100％

由上式可知，WG－COMPx值的變化，改變了PWM波的占空比。而SPWM波形的產(chǎn)生正是由儲(chǔ)存的正弦函數(shù)數(shù)據(jù)值經(jīng)計(jì)算后賦給WG－COMPx，每一次中斷都賦給WG－COMPx一個(gè)隨正弦規(guī)律變化的值，從而產(chǎn)生一系列脈寬不等的脈沖列來(lái)近似正弦波。

（3）WFG的中斷

與波形發(fā)生器有關(guān)的2種中斷：WFG中斷和EXTINT中斷。

WFG中斷是重裝載WG－COUNT時(shí)產(chǎn)生。不同的工作方式，有不同的重裝載方式，每個(gè)PWM周期，方式0在WG－COUNT=WG－RELOAD時(shí)產(chǎn)生一次WFG中斷，方式1在WG－COUNT=WG－RELOAD和WG－COUNT=1時(shí)都產(chǎn)生中斷。

EXTINT中斷由保護(hù)電路產(chǎn)生?？删幊淘O(shè)置產(chǎn)生中斷的方式，在整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)流信號(hào)，保護(hù)電力電子開(kāi)關(guān)器件。

3逆變電源硬件電路

靜止逆變電源的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由下列幾個(gè)部分組成。

3.1主電路

它的形式為AC/DC/AC逆變電路。輸入三相交流電壓經(jīng)整流、濾波后供給逆變器。主開(kāi)關(guān)器件選用日本三菱公司2單元IGBT模塊CM75DY－24H，加上緩沖電路構(gòu)成本系統(tǒng)三相逆變電源。輸出采用隔離降壓變壓器。

3.2控制電路

80C196MC微處理器最小系統(tǒng)及少量外圍芯片構(gòu)成本系統(tǒng)控制電路。單片機(jī)產(chǎn)生三相6路SPWM信號(hào)，同時(shí)完成頻率顯示，閉環(huán)穩(wěn)壓限流控制，檢測(cè)保護(hù)，封鎖SPWM脈沖信號(hào)等功能。

3.3驅(qū)動(dòng)電路

本逆變電源驅(qū)動(dòng)電路采用日本三菱公司為驅(qū)動(dòng)IGBT設(shè)計(jì)的專用集成電路M57959L，加少許外圍元件構(gòu)成。80C196MC輸出SPWM信號(hào)可通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊M57959L直接驅(qū)動(dòng)IGBT管。當(dāng)M57959L檢測(cè)到IGBT管上的過(guò)流信號(hào)時(shí)，若持續(xù)時(shí)間大于2.5μs，則發(fā)出故障信號(hào)，否則保護(hù)電路不動(dòng)作。故障信號(hào)產(chǎn)生EXTINT中斷，封鎖各路SPWM信號(hào)，高速關(guān)斷IGBT。其典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖1系統(tǒng)主電路

圖2M57959L典型應(yīng)用電路

圖3軟件結(jié)構(gòu)

圖480C196MC生成的SPWM信號(hào)

圖5經(jīng)M57959L隔離輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)

圖6輸出電壓波形

圖7頻譜分析所得波形

4軟件設(shè)計(jì)軟件程序設(shè)計(jì)是整個(gè)逆變電源控制的核心，它決定逆變電源輸出的特性，如：電壓范圍及穩(wěn)定度，諧波含量，保護(hù)功能的完善，可靠性等。穩(wěn)壓限流逆變電源框圖如圖3所示。

軟件設(shè)計(jì)中，80C196MC初始化命令、控制命令的參數(shù)計(jì)算及SPWM波形的生成、死區(qū)時(shí)間等，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)。

輸出電壓值、電流限流值均由電位器給定，經(jīng)80C196MC片內(nèi)A/D通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。電壓給定值經(jīng)運(yùn)算處理作為調(diào)制深度系數(shù)，控制M57959L輸出SPWM信號(hào)。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

按照上述硬件電路制作了1臺(tái)三相8kVA的靜止逆變電源。主要參數(shù)是三相輸入380V，50Hz，三相輸出220V，400Hz。取載波頻率6.4kHz，死區(qū)時(shí)間5μs。用SignalView通用信號(hào)分析軟件采集到隔離前后的調(diào)制深度系數(shù)M=0.87時(shí)的SPWM信號(hào)如圖4,圖5所示。

采用L型濾波（濾波電容15μF，電感0.37mH）后輸出電壓波形如圖6所示（為方便，降壓采集）.

　　以該軟件對(duì)輸出波形進(jìn)行頻譜分析后的波形如圖7所示。

用YOKOGAWAModelWT2030DigitalPowerMeter測(cè)試儀測(cè)得該靜止逆變電源的主要技術(shù)指標(biāo)為：

電壓穩(wěn)定度（負(fù)載變化100％，輸入變化10％）1％；

總諧波含量2.7％；整機(jī)效率85％以上。

實(shí)驗(yàn)表明，在研制逆變電源過(guò)程中，采用了16位單片機(jī)80C196MC最小系統(tǒng)后，整個(gè)控制電路大大簡(jiǎn)化，器件減少，結(jié)構(gòu)緊湊，降低了成本，在16位方式下數(shù)據(jù)處理快，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，提高了可靠性。通過(guò)測(cè)試取得了比較理想的結(jié)果。同時(shí)，只需改變編程軟件中的兩個(gè)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可用于單相逆變電源。相信80C196MC微處理器在變頻智能控制領(lǐng)域有較好的實(shí)用價(jià)值和推廣前景。

參考文獻(xiàn)

1孫涵芳.Intel16位單片機(jī).北京:北航出版社，1998

2陳國(guó)呈.PWM變頻調(diào)速技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998