87C196MC与IPM模块组成的变频调速系统

随着大功率开关器件制造技术和计算机技术的迅猛发展，交流电机的变频调速在一般工业领域以至许多民用领域中已得到广泛应用。在节能、减少维修、提高产品产量及产品质量等方面都取得了明显的经济效益。目前，高性能交流调速系统的研究和开发已引起各国学者的高度重视，而所用微处理器、功率器件及产生SPWM波的方法是影响变频器性能好坏的直接因素。

1 系统硬件电路设计

1.1 87C196MC及IPM简介

87C196MC 是Intel公司专门为三相异步电动机和直流无刷电动机控制而设计的16位单片机。它由C196内核、8KB EPROM、三相波形发生器WFG、A/D转换器、事件处理门阵列EPA、定时器和脉宽调制单元等组成。其中，三相波形发生器WFG是87C196MC的一大特色。WFG可以通过P6口直接输出用于逆变器驱动的6路SPWM信号，每个引脚的驱动电流可达20mA，在使用16MHz时，驱动信号的频率可达 8MHz。为防止同一桥臂上2个功率管发生直通造成短路，该发生器还可通过编程设置死区互销时间，在16MHz晶振时，死区时间范围为 0.125～125μs之间。一旦启动，WFG只要CPU在改变PWM波的占空比时加以干涉，大大减少了CPU的开销。三相波形发生器WFG的存在大大简化了用于产生PWM波形的软件和硬件，使系统得以大大简化。
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智能功率模块IPM已经被广泛应用在变频器、数控机库、工业机器人等电能转换设备中。带有IGBT驱动电路和自诊断、保护功能完善的IPM的使用，使得电能转换设备体积更小、更可靠、更具智能化。本系统所选用的功率器件为7MBP50RA120。它内部含有组成1个三相H桥（逆变桥）和1个制动单元的7个 IGBT和7个快速功率二极管，并且含有相应的驱动电路。另外它的保护功能相当完善，内含过电流保护（OC）、短路保护（SC）、驱动电源欠电压保护（UV）、过热保护（OH）、报警输出（ALM）等。7MBP50RA120是富士电机推出的第4代R-系列智能功率模块IPM，它克服了在传统的 IGBT-IPM中，当工作温度迅速上升时IPM可能被击穿（这种击穿发生是因为提供温度保护的温控器安装在IGBT芯片的绝缘基板上）以及有时由于寄生电容或控制电路产生的寄生电感而引起的噪声使IGBT产生误动作的缺点，并且该系列的IPM所使用的元件数量比传统的IPM少得多（仅为5%），可靠性得到很大提高。

1.2 硬件电路

系统硬件电路采用交-直-交变频方式，如图1所示。三相工频电压经速流桥6RI30G-160整流后，再经2个电容器HCGF5A2W222Y平滑滤波后送至IPM模块7MBP50RA120的主电流输入端口P、N端。

16 位的87C196MC通过计算查表把存储在片内EPROM中的正弦波数据送至97C196MC的波形发生器。波形发生器产生的三相互补的SPWM信号经 WFG1～WFG3端输出、再经光耦隔离后送至IPM的驱动信号输入端VinU、VinV、VinW（上桥臂）和VinX、VinY、VinZ(下桥臂)。8个按键：功能键FUN、显示键DISPLAY、设定键SET、移位键MOVE、启动/停止键RUN/STOPS、正转/反转键FWD/REV、2 个增减键（↑）和（↓）直接与87C196MC的P0口相连。显示驱动芯片采用ICM7218B。频率给定电位器直接与P1.4/ACH12相连，用于手动给定设置频率。当设置频率给定为数字给定方式时，手动调节电位器给定不起作用。当IPM内部的故障检测电路检测到有故障时，其故障输出端ALM立即发出故障信号，此信号和调速系统控制保护电路中的其它过流、过压、欠压等故障信号一起经逻辑电路送至87C196MC的EXTINT端，以便87C196MC 及时实施对IPM驱动电路的封锁，保护IPM及其它电路不致损坏，并且在LED显示器上显示其故障来源。87C196MC的P6.6用于控制IPM的制动单元，以保证主电路的直流电压不致过高。

2 系统软件设计

系统软件由主程序、故障中断子程序、显示子程序、键盘服务程序、捕获/比较模块2中断、捕获/比较模块3中断、WFG中断、A/D采样中断子程序等构成。主程序中主要完成系统的初始化、并根据显示模块计算要显示的数据并送出显示、键盘扫描及服务处理、输入数据的码制变换等等；故障中断子程序中视故障性质完成自处理或故障报警、封锁触发脉冲、跳闸等；捕获/比较模块2作为软件定时器完成20ms的定时，作为键盘去抖动和盘管理的定时（如设定参数时，5s内不按下任何按键则认为设定该参数完毕等）；捕获/比较模块3作为软件定时器实现1ms的定时，用于完成实际调制频率fop的计算及触发A/D采样，其中框图中的fmin、fop、fset、Δfmax分别为系统最低调制频率、实际调制频率、给定调制频率及允许的最大频率变化量；WFG中断程序中，根据fop查 V/F表，计算相位比较寄存器WG_COMPX的值。本系统中，调制方式采用异步调制，即载波频率fc=4.8kHz不变。为计算方便，建立的正弦函数表中数据的最大值sin90°的值为2 13，V/F表（即调制深度系数m值）中数据的最大值为417×2 3。图2给出捕获/比较模块3中断子程序框图，图3给出WFG中断子程序框图。

在图3中，θu、θv、θw分别为U相、V相、W相调制正弦波的相位，U_TEMP、V_TEMP、 W_TEMP的3个临时变量，它们的数值在该子程序后面最终被装入波形发生器的三个相位比较缓冲器WG_COMP1、WG_COMP2和WG_COMP3 之中。WG_RELOAD为重装载寄存器，其值在每次产生WFG中断时自动装入计数器比较寄存器。θstep为当前调制频率下相邻2个WFG中断的时间间隔所对应的正弦波角度，由于在下次WFG中断产生时硬件自动将本次计算的相位比较缓冲器WG_COMPX值装入相应的相位比较寄存器，使WFG产生双极型 SPWM波（WFG工作于工作方式0），因此在查正弦表时，U、V、W某一相的相位指针应该对应加上与θstep相对应的n个数据。

3 实验结果及结论

根据上述的软硬件设计方案，设计了一个变频调速系统，被控对象为上海南洋电机厂生产的变频调速电机 YT8P1326-4，额定功率为5.5kW，其负载电流波形如图4所示。实验结果表明：系统软、硬件设计合理，具有良好的静态和动态性能。这说明 87C196MC单片机与IPM在变频器应用方面具有一定的优势，能给变频器的软硬件设计带来极大的方便。