80C196MC在中频感应电源中的应用

摘要：针对晶闸管中频电源，提出了一种基于80C196MC的逆变控制电路，给出了该构思的硬件和软件设计。通过对试验结果进行了分析，证明该电路很好地实现了电源的扫频式零电压软启动和正常工作时槽路谐振频率的跟踪，而且简单实用，启动成功率高，可靠性和通用性得到改善。 关键词：晶闸管中频电源；逆变电路；微控制器；扫频式零压软启动；槽路谐振频率 1 概述 随着工业的发展，中频电源的应用也日益广泛，如在金属熔炼、透热、热处理、焊接等方面，其工作方式多采用并联逆变，结构如图1所示。其工作原理为采用三相桥式全控整流电路将交流电整流为直流电，经电抗器平波后，成为一个恒定的直流电流源，再经单相逆变桥，把直流电流逆变成一定频率的单相中频电流。负载是由感应线圈和补偿电容器组成的，连接成并联谐振电路。目前市场上的中频电源，其逆变部分控制电路多采用模拟元器件，电路复杂，控制参数难以调整，因而通用性差。本文采用Intel公司80C196MC微控制器构成逆变控制电路，较好地克服了以上弊端，简化了电路，控制参数可以调节并显示，大大提高了中频电源的可靠性和通用性。 2 80C196MC微控制器简介 80C196MC微控制器具有适合于PWM逆变器、变频器及电机高速控制所需的许多特性。它由一个C196核心、一个三相波形发生器WFG、一个多通道A／D转换器及其他片内外设（如两个定时器、一个事件处理门阵列EPA、两个通用PWM模块）等构成。其C196核心包含512字节的寄存器RAM，其中的绝大部分可为用户程序所用。80C196MC对片内外设的操作全部是通过存取相应的专用寄存器（SFR）来完成的。 中频电源逆变控制的核心任务就是跟踪槽路的谐振频率，不断地调整逆变脉冲的频率。80C196MC内置的波形发生器使之能高效、可靠地完成逆变脉冲变频任务。WFG具有3个同步的PWM模块，能产生3对同载波、同操作方式、等死区时间，但脉宽相互独立的PWM波形。能以载波频率重载脉宽等数据，并向CPU定时提出中断申请。WFG具有4种操作方式，常用的是中心对准方式0。WFG的功能配置及脉宽调制是通过设置其专用寄存器来完成的：控制寄存器WG_CON定义WFG的操作方式，并设置死区时间；输出配置寄存器WG_OUT定义WFG各引脚的有效状态；WG_RELOAD设置三角载波频率；相比较寄存器WG_COMPx（x=1，2，3）设置各相脉冲宽度；保护寄存器WG_PROTECT配置WFG的保护功能。逆变脉冲变频的实现就是在WFG的专用寄存器中设置WG_RELOAD以产生合适的载波频率。 图3 3 基于80C196MC的逆变控制器设计 根据中频电源的工作原理，逆变控制器的功能主要是实现电源的扫频式零电压软启动和正常工作时槽路谐振频率的跟踪。 扫频式零电压软启动是一种新型的启动方式，其过程如下：在逆变电路启动前，以一个高于槽路谐振频率的他激信号从高向低扫描，去触发逆变晶闸管。当他激信号频率下降到接近槽路谐振频率时，中频电压便建立起来。启动成功后逆变控制电路自动跟踪槽路谐振频率，使设备进入稳态运行。如果他激信号频率下降至最低，中频电压仍未建立，则他激信号恢复到最高值，重复上述启动过程，直至启动成功。整个启动过程中将直流电压限定在较低的水平，以减小冲击。该启动方式无需辅助装置，电路简单，启动成功率高。 槽路谐振频率的跟踪实现方法如下：通过检测电路取出中频电压、中频电流的过零点，比较得出二者的相位差，即负载的阻抗角φ。当φ大于设定值时，降低逆变触发信号的频率；当φ小于设定值时，升高逆变触发信号的频率。这样就可以自动跟踪槽路阻抗特性的改变，从而保证负载一直工作在接近谐振状态。由于采用了数字电路，系统的抗干扰性增强，电路简化，参数设定调节方便。 3.1 硬件设计 硬件电路总体结构如图2所示。根据功能要求，控制器的输入输出信号主要有中频电压、中频电流过零信号，功率自动控制部分产生的逆变角调节信号，启动时的直流电压限幅信号，启动失败关机信号，与其它控制设备通信信号，人机对话数据信号等。 中频电压过零检测电路如图3所示。中频电压由1000∶20电压互感器从主电路取出，经过隔离变压器后与控制电路共地。电压信号经过前端低通滤波器后，送至电压比较器LM339，与零电平比较，产生表示中频电压过零的方波信号，再经滤波、放大后送至80C196MC的比较捕获单元引脚CAP1。 由于逆变晶闸管就是开通或关断直流电流，形成负载上的中频电流。因此，逆变晶闸管的触发信号与中频电流同相位。直接取单片机发出的逆变触发信号作为中频电流过零信号，送至80C196MC的比较捕获单元引脚CAP0。 功率自动控制部分若是模拟电路，其产生的逆变角调节信号可接至80C196MC的A/D转换输入引脚ACH0。80C196MC的自带的A/D转换模块将其转换后可得出调节量。功率自动控制部分若是数字电路，其产生的逆变角调节信号可通过串行通信传至80C196MC。串行通信信号接至80C196MC的比较捕获单元引脚CAP1及CAP2。 启动过程中的控制信号，如直流电压限幅信号、重复启动时关机信号、启动成功转锁频信号均为开关量，可接至80C196MC的I/O口P0.1，P0.2和P6.4。发生故障的保护信号接至80C196MC的不可屏蔽中断引脚NMI，以保证任何时候发生故障控制程序都可以及时转入保护中断。 控制参数的设置和显示可以通过人机接口外接键盘和数码管实现。 3.2 软件设计 控制软件根据功能可以分为三个模块：逆变角检测模块、扫频启动模块、频率调节模块。逆变角检测模块根据采集的中频电压、电流过零信号计算出实际的逆变角大小。扫频启动模块按设定的参数实现扫频启动的过程。频率调节模块根据计算出的逆变角大小和设定值比较，调整逆变频率的高低。 逆变角检测模块程序的流程图如图4所示。当CAP1引脚捕捉到一个正跳变时产生CAPCOMP1中断。中断处理程序记录下此时电压过零时间、电流过零时间，并计算判断电压周期是否大致等于电流周期，以防止干扰信号。计算电压电流的相位差，即逆变角。重复4次后计算平均值，作为实际的逆变角值，并将逆变角标志位置位，以供其他程序模块调用。 扫频启动模块程序的流程图如图5所示。初始化后先关闭整流再限制整流角，以实现零压软启动。逆变触发脉冲从最高频率开始向下扫描，此过程中不断检测逆变角是否达到要求。逆变角小于设定值时，启动成功，退出扫频启动模块，转入正常工作状态。若逆变触发脉冲频率到达最小值仍未启动成功，则根据设定的是否重复启动，跳转到启动程序开始处或启动失败处理程序。 频率调节模块程序的流程图如图6所示。频率调节模块工作在正常状态，即启动成功后。程序不断查询逆变角标志位，将计算出的逆变角度与设定值比较。逆变角偏大，说明负载容性过大，需要降低逆变频率；逆变角偏小，说明负载容性过小，需要升高逆变频率。调整频率完毕后查询是否中止工作。 4 试验及结果 根据上述介绍设计制作了一台中频电源试验机，作为钢管焊接的配套电源，输入额定电380V，电流200A，输出电压750V，负载谐振频率约1000Hz。启动时电路波形如图7、图8所示。 在试验中，我们发现，如果他激信号最高频率设置得当（一般为槽路谐振频率的1.2倍），启动成功率可达100％。 5 结语 该中频电源启动电路设计简单，控制参数可由键盘输入调整，能适应不同谐振频率负载的启动要求，适用性强，具有良好的应用前景。