摘? 要: 80C196MC波形發(fā)生器的SPWM波形產(chǎn)生原理和軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)。使逆變控制電路實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字操作，改進(jìn)了傳統(tǒng)的控制方法。試驗(yàn)表明，該方案結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)態(tài)特性好、可靠性高。?

　　關(guān)鍵詞: 80C196MC? 正弦脈寬調(diào)制? 波形發(fā)生器? 逆變器? 控制電路?

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　　PWM技術(shù)從最初采用分離元件的模擬電路完成三角波載波和正弦調(diào)制波的比較，產(chǎn)生SPWM控制信號(hào)，到目前采取全數(shù)字化方案，完成實(shí)時(shí)在線的PWM(SPWM)信號(hào)輸出。PWM控制電路經(jīng)歷了由初級(jí)到越來越完善的演化。?

　　由專用集成芯片ASIC(Application specific integrated circuit)生成SPWM波的技術(shù)近幾年來被廣泛采用，這些集成電路有HFE4752、SLE4520、MA8X8/SA8X8、SAXXXX等。其中多數(shù)要與單片機(jī)連接才能完成SPWM控制功能，對(duì)于要求較高的逆變系統(tǒng)來說仍然不夠簡捷。INTEL公司推出的16位單片機(jī)8XC196MC片內(nèi)集成了三相SPWM波形發(fā)生器WFG(Wave Form Generator，以下簡稱WFG)^[1]，為逆變控制電路的全數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的硬件支持，它的軟件指令豐富，與其它196XX單片機(jī)基本兼容。本文重點(diǎn)介紹80C196MC中WFG的工作原理及軟件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。?

1 WFG工作原理?

　　內(nèi)藏WFG是80C196MC/MD的一大特色。這一功能大大簡化了用于產(chǎn)生PWM波形的硬件和軟件，特別適用于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和無刷直流電機(jī)的速度控制以及變頻電源的SPWM控制。?

1.1 WFG的組成?

　　WFG有三個(gè)相同的PWM模塊。每個(gè)模塊都包含一個(gè)相同的比較寄存器、死區(qū)時(shí)間(deadtime)發(fā)生器和一對(duì)可編程輸出控制器。從功能上可把WFG劃分為三大部分:時(shí)基發(fā)生器、相位比較通道和輸出控制電路。共有八個(gè)特殊功能寄存器(SFR)。各寄存器的地址、控制位的功能、參數(shù)填寫格式等可參閱文獻(xiàn)[1]。?

1.2? SPWM波形產(chǎn)生過程?

1.2.1 選擇載波波形(u_c)?

　　WG-CON中B₁₂、B₁₃兩個(gè)控制位，有四種控制方式可選擇:方式0～方式3。方式0、方式1為中心對(duì)準(zhǔn)方式，即把SPWM脈沖安排在開關(guān)周期的中心點(diǎn)上，這與模擬電路中三角波載波(雙邊調(diào)制)相對(duì)應(yīng)。方式0和方式1的區(qū)別在于波形參數(shù)的重加載時(shí)間和次數(shù)不同。方式2和3是邊沿對(duì)準(zhǔn)方式，即把SPWM脈沖波安排在開關(guān)周期的起始點(diǎn)上，這與模擬電路中的鋸齒波載波(單邊調(diào)制)相對(duì)應(yīng)。其區(qū)別也是重加載的時(shí)機(jī)不同。中心對(duì)準(zhǔn)的SPWM波形所造成的諧波小，不含ω_s±ω₀和2ω_s(ω_s為開關(guān)角頻率，ω₀為信號(hào)波角頻率)諧波^[2]，通常采用中心對(duì)準(zhǔn)方式。在以下的敘述中，均以方式0為例(M₀(B₁₂)=M₁(B₁₃)=0)。?

1.2.2 選擇載波周期(T_s)?

　　在WFG中WG-COUNT作為時(shí)基發(fā)生器工作。結(jié)合圖1說明WG-COUNT決定載波周期的原理和工作過程。

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　　上電復(fù)位，WFG中所有寄存器的值為0。首次寫入到WG-RELOAD中的值在一個(gè)晶振周期后裝入WG-COUNT。若WG-CON中的EC=1，開始減1計(jì)數(shù)，至0001H，等待一個(gè)時(shí)鐘周期后作加1計(jì)數(shù)，直至WG-COUNT中的值等于計(jì)數(shù)比較寄存器的值，此時(shí)完成一個(gè)載波周期，如圖1中t₁～t₂。WG-RELOAD的內(nèi)容裝入WG-COUNT和計(jì)數(shù)比較寄存器;WG-COMPx的內(nèi)容裝入相位比較寄存器;輸出緩沖寄存器的內(nèi)容裝入WG-OUT;PI-PEND寄存器中WG中斷置1。?

　　在原來(或新)的值重新加載到WG-COUNT后，WG-COUNT開始新一個(gè)開關(guān)周期的計(jì)數(shù)，循環(huán)往復(fù)。WG-COUNT的輸出數(shù)據(jù)與時(shí)間的關(guān)系是三角形。如果調(diào)節(jié)輸出頻率f₀，可裝入新的時(shí)間常數(shù)。在保持相同頻率調(diào)制比m_f的情形下，f₀得到了改變，如圖1中t₃～t₄。?

　　載波周期T_s=4×WG-RELOAD/F_Xtal(μs)，WG-RELOAD——16位二進(jìn)制數(shù);F_Xtal——Xtal引腳上的晶振頻率，不考慮死區(qū)時(shí)間的有效脈寬;t_p=4×WG-COMP/F_Xtal(μs)。?

1.2.3 有死區(qū)時(shí)間的PWM波形?

　　死區(qū)時(shí)間(deadtime)用以防止一對(duì)(同一橋臂)信號(hào)同時(shí)有效，保證產(chǎn)生不交疊的輸出波形，死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生電路如圖2所示，波形如圖3所示。當(dāng)WG-COUNT=WG-COMPx時(shí)，相位比較器產(chǎn)生一跳變信號(hào)，由此啟動(dòng)一個(gè)10位死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器(WG-CON的低10位)，使輸出DT為低電平，當(dāng)減至0時(shí)，DT為高。和DT相與，得WG-EVEN信號(hào)，引到P6口的偶數(shù)腳;WFG和DT相與，得WG-ODD，送到P6口的奇數(shù)腳。于是得到有死區(qū)時(shí)間的PWM波形。有死區(qū)時(shí)間的SPWM信號(hào)生成原理與此相同。只不過是每周期送入WG-COMPx的脈寬參數(shù)按正弦調(diào)制算好。?

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2 軟件設(shè)計(jì)?

　　由于篇幅限制，本文僅介紹軟件設(shè)計(jì)中的有關(guān)要點(diǎn)，程序流程框圖如圖4所示。?

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2.1 建立正弦數(shù)據(jù)表?

　　由DC/AC變換技術(shù)中的SPWM原理知，80C196MC的WFG產(chǎn)生6路SPWM信號(hào)，控制主電路三相橋中6個(gè)功率開關(guān)器件的通斷。因此首先需建立三相正弦脈寬數(shù)據(jù)表，由單片機(jī)初始化時(shí)算好，將其按一定的格式(即考慮相序及同一相中的脈寬次序等)存入RAM中，建立好數(shù)據(jù)指針，以便按一定的尋址方式查詢。?

2.2 數(shù)字PID輸出電壓調(diào)節(jié)器?

　　由于負(fù)載和電網(wǎng)的擾動(dòng)，輸出電壓是不穩(wěn)定的。要達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓特性，采用輸出電壓反饋閉環(huán)控制。算法為增量型數(shù)字PID^[3]。?

??? Δu(k)=u(k)-u(k-1)=k_p[e(k)-e(k-1)]+k_Ie(k)+k_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]?

??? 為編程方便整理成如下形式:?

??? Δu(k)=q₀e(k)+q₁e(k-1)+q₂e(k-2)?

??? q₀=k_p(1+T/T_I+T_D/T) k_p=1/δ ???? 比例系數(shù)?

??? q₁=-k_p(1+2T_D/T)??? k_I=k_pT/T_I??? 積分系數(shù)?

??? q₂=k_pT_D/T????????? k_D=k_pT_D/T?? ?微分系數(shù)?

　　前述正弦數(shù)據(jù)表按幅度調(diào)制比m_a=1算得。調(diào)節(jié)電壓時(shí)按PID的結(jié)果修正各開關(guān)周期的脈寬。?

2.3 頻率調(diào)節(jié)?

　　調(diào)節(jié)輸出頻率，可改變WG-RELOAD中的時(shí)間常數(shù)。通常保持同步調(diào)制關(guān)系，即頻率調(diào)制比不變，m_f=常量。在頻率調(diào)節(jié)過程中應(yīng)保證輸出電壓不變，因此在改變WG-RELOAD內(nèi)容的同時(shí)，按比例地改變WG-COMPx中的值。?

2.4 軟件流程框圖?

　　軟件設(shè)計(jì)是逆變控制電路設(shè)計(jì)的重要組成部分，它決定了逆變電源輸出的特性，如電壓調(diào)節(jié)范圍及穩(wěn)定程度，諧波含量，保護(hù)功能的完善、可靠性等。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。?

3 變頻電源整體構(gòu)成?

　　三相靜止變頻電源的整體框圖如圖5所示。?

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　　主電路功率模塊用6MBI25L-120(6單元IGBT)構(gòu)成三相逆變橋。80C196MC單片機(jī)最小系統(tǒng)為控制電路，完成六路SPWM控制信號(hào)的產(chǎn)生，電壓、電流、頻率數(shù)碼管顯示，閉環(huán)穩(wěn)壓、檢測保護(hù)等功能?？刂齐娐?80C196MC)輸出的六路SPWM經(jīng)IR2110×3后作為逆變橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于IR2110自身對(duì)逆變橋上管有自舉懸浮驅(qū)動(dòng)功能，控制和驅(qū)動(dòng)電路共用一組電源。整個(gè)系統(tǒng)顯得比較簡單。?

4 試驗(yàn)結(jié)果?

　　完成了一臺(tái)2kW三相400kHz變頻電源試驗(yàn)電路。m_f=33，f_s=13.2kHz，f₀=400Hz，t_d=3μs。(WG-CON)=418H，(WG-RELOAD)=12FH，(WG-OUT)=7FFFH。SPWM波形的輸出由WG-RELOAD減到1產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)子程序中由計(jì)算結(jié)果刷新WG-COMPx中的內(nèi)容(即置下一次脈寬)，如此循環(huán)。圖6(a)為80C196MC輸出的SPWM波形，圖6(b)是電源輸出其中一相的波形。有關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下:?

　　輸入:50Hz 220V，逆變橋直流高壓300V?

　　輸出:400Hz ±30Hz可調(diào)?

???????? 三相127V/220V，±15V可調(diào)?

??? ???? 效率>85%(額定負(fù)載)?

?????? ? THD≯3%?

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　　采用16位單片機(jī)80C196MC最小系統(tǒng)，使整個(gè)控制電路大為簡化并且實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化。器件減少、結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好、可靠性高。?

參考文獻(xiàn)?

1 孫涵芳. Intel 16位單片機(jī)，北京:航空航天出版社，1995?

2 王兆安譯.電力半導(dǎo)體變流技術(shù)，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993?

3 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社，1999?