Intel80C196MC微处理器在静止逆变电源中的应用

     摘要：简要介绍采用80C196MC单片机研制的三相静止逆变电源电路硬件、软件设计方案。试验结果表明，这一方案能够满足应用要求。

     关键词：正弦脉宽调制  静止逆变电源

                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， PowerSupply

    1  引言

    PWM（脉宽调制）技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度以达到变压变频目的的一种控制技术。SPWM（正弦脉宽调制）是由控制回路产生一组等幅而不等宽的矩形脉冲列，用来近似正弦电压波。

    常采用的方法有3种：一是完全由模拟电路生成；二是由数字电路生成；三是由专用集成芯片生成。模拟方法电路复杂，硬件太多，抗干扰性能差，有温漂现象，难以实现最优化PWM控制（最优化PWM的调制波都不是正弦波），系统可靠性低；数字方法按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，将其存入内存，然后通过查表及必要的计算产生SPWM波，该方法调频范围不宽。输出的PWM波1/4轴不对称，会产生偶次谐波，低频区尤其严重，且占用内存大，与系统精度之间存在矛盾；由专用集成芯片生成三相SPWM波的技术近年来被广泛采用，常用的有HEF4752，SLE4520，MA818，MA828，MA838和MITET公司研制的三相、单相PWM产生器SA828，SA838系列芯片。它们多与微处理器连接，完成外围控制功能，但在系统构成上仍然较复杂。而INTEL公司近期推出的16位微处理器80C196MC，片内集成了一个3相波形发生器WFG（WaveFormGenerator），这一外设装置大大简化了产生同步脉宽调制波形的控制软件和外部硬件，可构成最小单片机系统同时协调完成SPWM波形生成和整个系统的检测、保护、智能控制等。基于上述原因，本文采用80C196MC来构成静止逆变电源的控制电路。

   2  80C196MC片内波形发生器WFG简介

    2.1WFG功能特点

    80C196MC片内WFG有3个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器、一个无信号时间（deadtime）发生器和一对可编程的输出。WFG可产生独立的3对PWM波形，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式。一旦起动以后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。

    WFG产生SPWM波形是在下列专用寄存器的控制下完成的。

    （1）双向计数寄存器WG－COUNT：16位双向计数器，是产生输出信号的时基发生器。每个状态周期WG－COUNT改变一个计数值。用户可对WG－RELOAD寄存器进行写操作，而它的值周期地装入到计数器中。

    （2）重装载寄存器WG－RELOAD：该寄存器实际包含一对16位寄存器，当读或写该寄存器时，访问的是WG－RELOAD寄存器。写到WG－RELOAD的值，被周期地（取决于操作方式）装入到第二个寄存器。这后一个寄存器叫做计数器比较寄存器，它是WG－COUNT实际与之比较的时间寄存器。

    （3）相位比较寄存器WG－COMPx：共有3个（X=1，2，3）可读写的16位相位比较缓冲器。每一个相位比较缓冲器有一个关联的比较寄存器，它的值与每次计数后的WG－COUNT相比较。

    （4）控制寄存器WG－CON：WG－CON是一个16位寄存器。可控制计数方式及产生3个10位无信号时间（deadtime）。

    （5）输出控制缓冲寄存器WG－OUT：可用于选择输出引脚的输出信号方式。可对每个引脚独立定义有效状态。

    2.2WFG的基本工作原理

    （1）WFG由时基发生器、相位驱动通道和控制回路组成：

    ①时基发生器为SPWM建立载波周期。该周期值取决于WG－RELOAD的值；

    ②相位驱动通道决定SPWM波形的占空比，可编程输出，每个相位驱动器包含一个可编程的无信号时间发生器；

    ③控制电路用来确定工作模式和其它寄存器配置信息。

    （2）时基发生器WG－COUNT有4种工作方式。当选通波形发生器工作时，根据所选择的工作方式，作为时基发生器的WG－COUNT连续向上计数或向上/向下计数，每次计数时，WG－COUNT内容与计数比较寄存器的值作比较，当二者匹配时，按所选择的工作方式产生相应操作。

    中心对准PWM方式中，载波周期Tc=(4×WG－RELOAD)/Fxtal(μs)

    不考虑无信号时间，输出“有效”的时间Toutput=(4×WG－COMPx)/Fxtal(μs)。不考虑无信号时间，

　　占空比=（WGCOMPx/WGRELOAD）×100％式中WGRELOAD——16位值；

    Fxtal——XTAL1引脚上晶振频率，MHz；

    WG－COMPx——16位值，等于或小于WG－RELOAD。

    边沿对准PWM方式，载波周期Tc=(2×WG－RELOAD)/Fxtal(μs)

    不考虑无信号时间，输出“有效”的时间Toutput=(2×WG－COMPx)/Fxtal(μs)

    不考虑无信号时间，占空比=（WG－COMPx/WG－RELOAD）×100％

    由上式可知，WG－COMPx值的变化，改变了PWM波的占空比。而SPWM波形的产生正是由储存的正弦函数数据值经计算后赋给WG－COMPx，每一次中断都赋给WG－COMPx一个随正弦规律变化的值，从而产生一系列脉宽不等的脉冲列来近似正弦波。

    （3）WFG的中断

    与波形发生器有关的2种中断：WFG中断和EXTINT中断。

    WFG中断是重装载WG－COUNT时产生。不同的工作方式，有不同的重装载方式，每个PWM周期，方式0在WG－COUNT=WG－RELOAD时产生一次WFG中断，方式1在WG－COUNT=WG－RELOAD和WG－COUNT=1时都产生中断。

    EXTINT中断由保护电路产生。可编程设置产生中断的方式，在整个系统检测过流信号，保护电力电子开关器件。

    3  逆变电源硬件电路

    静止逆变电源的硬件结构如图1所示，它主要由下列几个部分组成。

    3.1主电路

    它的形式为AC/DC/AC逆变电路。输入三相交流电压经整流、滤波后供给逆变器。主开关器件选用日本三菱公司2单元IGBT模块CM75DY－24H，加上缓冲电路构成本系统三相逆变电源。输出采用隔离降压变压器。

    3.2控制电路

    80C196MC微处理器最小系统及少量外围芯片构成本系统控制电路。单片机产生三相6路SPWM信号，同时完成频率显示，闭环稳压限流控制，检测保护，封锁SPWM脉冲信号等功能。

    3.3驱动电路

     本逆变电源驱动电路采用日本三菱公司为驱动IGBT设计的专用集成电路M57959L，加少许外围元件构成。80C196MC输出SPWM信号可通过驱动模块M57959L直接驱动IGBT管。当M57959L检测到IGBT管上的过流信号时，若持续时间大于2.5μs，则发出故障信号，否则保护电路不动作。故障信号产生EXTINT中断，封锁各路SPWM信号，高速关断IGBT。其典型应用电路如图2所示。

    4  软件设计

    软件程序设计是整个逆变电源控制的核心，它决定逆变电源输出的特性，如：电压范围及稳定度，谐波含量，保护功能的完善，可靠性等。稳压限流逆变电源框图如图3所示。

    软件设计中，80C196MC初始化命令、控制命令的参数计算及SPWM波形的生成、死区时间等，请参阅参考文献。

    输出电压值、电流限流值均由电位器给定，经80C196MC片内A/D通道转换成数字量。电压给定值经运算处理作为调制深度系数，控制M57959L输出SPWM信号。

   5  实验结果及结论

    按照上述硬件电路制作了1台三相8kVA的静止逆变电源。主要参数是三相输入380V，50Hz，三相输出220V，400Hz。取载波频率6.4kHz，死区时间5μs。用SignalView通用信号分析软件采集到隔离前后的调制深度系数M=0.87时的SPWM信号如图4图5所示。

    采用L型滤波（滤波电容15μF，电感0.37mH）后输出电压波形如图6所示（为方便，降压采集）.

　　以该软件对输出波形进行频谱分析后的波形如图7所示。

     用YOKOGAWAModelWT2030DigitalPowerMeter测试仪测得该静止逆变电源的主要技术指标为：电压稳定度（负载变化100％，输入变化10％）1％；总谐波含量2.7％；整机效率85％以上。

    实验表明，在研制逆变电源过程中，采用了16位单片机80C196MC最小系统后，整个控制电路大大简化，器件减少，结构紧凑，降低了成本，在16位方式下数据处理快，系统反应灵敏，提高了可靠性。通过测试取得了比较理想的结果。同时，只需改变编程软件中的两个数据，该系统可用于单相逆变电源。相信80C196MC微处理器在变频智能控制领域有较好的实用价值和推广前景。