Intel80C196MC微處理器在靜止逆變電源中的應用

摘要：簡要介紹采用80C196MC單片機研制的三相靜止逆變電源電路硬件、軟件設計方案。試驗結果表明，這一方案能夠滿足應用要求。

關鍵詞：正弦脈寬調制靜止逆變電源

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：TM92文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)08?401?04

1引言

PWM（脈寬調制）技術是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度以達到變壓變頻目的的一種控制技術。SPWM（正弦脈寬調制）是由控制回路產生一組等幅而不等寬的矩形脈沖列，用來近似正弦電壓波。

常采用的方法有3種：一是完全由模擬電路生成；二是由數字電路生成；三是由專用集成芯片生成。模擬方法電路復雜，硬件太多，抗干擾性能差，有溫漂現象，難以實現最優化PWM控制（最優化PWM的調制波都不是正弦波），系統可靠性低；數字方法按照不同的數字模型用計算機算出各切換點，將其存入內存，然后通過查表及必要的計算產生SPWM波，該方法調頻范圍不寬。輸出的PWM波1/4軸不對稱，會產生偶次諧波，低頻區尤其嚴重，且占用內存大，與系統精度之間存在矛盾；由專用集成芯片生成三相SPWM波的技術近年來被廣泛采用，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，但在系統構成上仍然較復雜。而INTEL公司近期推出的16位微處理器80C196MC，片內集成了一個3相波形發生器WFG（WaveFormGenerator），這一外設裝置大大簡化了產生同步脈寬調制波形的控制軟件和外部硬件，可構成最小單片機系統同時協調完成SPWM波形生成和整個系統的檢測、保護、智能控制等。基于上述原因，本文采用80C196MC來構成靜止逆變電源的控制電路。

280C196MC片內波形發生器WFG簡介

2.1WFG功能特點

80C196MC片內WFG有3個同步的PWM模塊，每個模塊包含一個相位比較寄存器、一個無信號時間（deadtime）發生器和一對可編程的輸出。WFG可產生獨立的3對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式。一旦起動以后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時加以干預。

WFG產生SPWM波形是在下列專用寄存器的控制下完成的。

（1）雙向計數寄存器WG－COUNT：16位雙向計數器，是產生輸出信號的時基發生器。每個狀態周期WG－COUNT改變一個計數值。用戶可對WG－RELOAD寄存器進行寫操作，而它的值周期地裝入到計數器中。

（2）重裝載寄存器WG－RELOAD：該寄存器實際包含一對16位寄存器，當讀或寫該寄存器時，訪問的是WG－RELOAD寄存器。寫到WG－RELOAD的值，被周期地（取決于操作方式）裝入到第二個寄存器。這后一個寄存器叫做計數器比較寄存器，它是WG－COUNT實際與之比較的時間寄存器。

（3）相位比較寄存器WG－COMPx：共有3個（X=1，2，3）可讀寫的16位相位比較緩沖器。每一個相位比較緩沖器有一個關聯的比較寄存器，它的值與每次計數后的WG－COUNT相比較。

（4）控制寄存器WG－CON：WG－CON是一個16位寄存器。可控制計數方式及產生3個10位無信號時間（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方式。可對每個引腳獨立定義有效狀態。

2.2WFG的基本工作原理

（1）WFG由時基發生器、相位驅動通道和控制回路組成：

①時基發生器為SPWM建立載波周期。該周期值取決于WG－RELOAD的值；

②相位驅動通道決定SPWM波形的占空比，可編程輸出，每個相位驅動器包含一個可編程的無信號時間發生器；

③控制電路用來確定工作模式和其它寄存器配置信息。

（2）時基發生器WG－COUNT有4種工作方式。當選通波形發生器工作時，根據所選擇的工作方式，作為時基發生器的WG－COUNT連續向上計數或向上/向下計數，每次計數時，WG－COUNT內容與計數比較寄存器的值作比較，當二者匹配時，按所選擇的工作方式產生相應操作。

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

不考慮無信號時間，輸出“有效”的時間Toutput=(4×WG－COMPx)/Fxtal(μs)。不考慮無信號時間，

　　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。

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

不考慮無信號時間，輸出“有效”的時間Toutput=(2×WG－COMPx)/Fxtal(μs)

不考慮無信號時間，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波形的產生正是由儲存的正弦函數數據值經計算后賦給WG－COMPx，每一次中斷都賦給WG－COMPx一個隨正弦規律變化的值，從而產生一系列脈寬不等的脈沖列來近似正弦波。

（3）WFG的中斷

與波形發生器有關的2種中斷：WFG中斷和EXTINT中斷。

WFG中斷是重裝載WG－COUNT時產生。不同的工作方式，有不同的重裝載方式，每個PWM周期，方式0在WG－COUNT=WG－RELOAD時產生一次WFG中斷，方式1在WG－COUNT=WG－RELOAD和WG－COUNT=1時都產生中斷。

EXTINT中斷由保護電路產生。可編程設置產生中斷的方式，在整個系統檢測過流信號，保護電力電子開關器件。

3逆變電源硬件電路

靜止逆變電源的硬件結構如圖1所示，它主要由下列幾個部分組成。

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整流、濾波后供給逆變器。主開關器件選用日本三菱公司2單元IGBT模塊CM75DY－24H，加上緩沖電路構成本系統三相逆變電源。輸出采用隔離降壓變壓器。

3.2控制電路

80C196MC微處理器最小系統及少量外圍芯片構成本系統控制電路。單片機產生三相6路SPWM信號，同時完成頻率顯示，閉環穩壓限流控制，檢測保護，封鎖SPWM脈沖信號等功能。

3.3驅動電路

本逆變電源驅動電路采用日本三菱公司為驅動IGBT設計的專用集成電路M57959L，加少許外圍元件構成。80C196MC輸出SPWM信號可通過驅動模塊M57959L直接驅動IGBT管。當M57959L檢測到IGBT管上的過流信號時，若持續時間大于2.5μs，則發出故障信號，否則保護電路不動作。故障信號產生EXTINT中斷，封鎖各路SPWM信號，高速關斷IGBT。其典型應用電路如圖2所示。

圖1系統主電路

圖2M57959L典型應用電路

圖3軟件結構

圖480C196MC生成的SPWM信號

圖5經M57959L隔離輸出的驅動信號

圖6輸出電壓波形

圖7頻譜分析所得波形

4軟件設計軟件程序設計是整個逆變電源控制的核心，它決定逆變電源輸出的特性，如：電壓范圍及穩定度，諧波含量，保護功能的完善，可靠性等。穩壓限流逆變電源框圖如圖3所示。

軟件設計中，80C196MC初始化命令、控制命令的參數計算及SPWM波形的生成、死區時間等，請參閱參考文獻。

輸出電壓值、電流限流值均由電位器給定，經80C196MC片內A/D通道轉換成數字量。電壓給定值經運算處理作為調制深度系數，控制M57959L輸出SPWM信號。

5實驗結果及結論

按照上述硬件電路制作了1臺三相8kVA的靜止逆變電源。主要參數是三相輸入380V，50Hz，三相輸出220V，400Hz。取載波頻率6.4kHz，死區時間5μs。用SignalView通用信號分析軟件采集到隔離前后的調制深度系數M=0.87時的SPWM信號如圖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）.

　　以該軟件對輸出波形進行頻譜分析后的波形如圖7所示。

用YOKOGAWAModelWT2030DigitalPowerMeter測試儀測得該靜止逆變電源的主要技術指標為：

電壓穩定度（負載變化100％，輸入變化10％）1％；

總諧波含量2.7％；整機效率85％以上。

實驗表明，在研制逆變電源過程中，采用了16位單片機80C196MC最小系統后，整個控制電路大大簡化，器件減少，結構緊湊，降低了成本，在16位方式下數據處理快，系統反應靈敏，提高了可靠性。通過測試取得了比較理想的結果。同時，只需改變編程軟件中的兩個數據，該系統可用于單相逆變電源。相信80C196MC微處理器在變頻智能控制領域有較好的實用價值和推廣前景。

參考文獻

1孫涵芳.Intel16位單片機.北京:北航出版社，1998

2陳國呈.PWM變頻調速技術.北京:機械工業出版社，1998