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80C196MC

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80C196MC單片機(jī)波形發(fā)生器原理及其在逆變電源中的應(yīng)用

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
     PWM技術(shù)從最初采用分離元件的模擬電路完成三角波和正弦調(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)歷了由實(shí)級(jí)到越來(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)仍然不夠簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(wú)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)生器和一以對(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(guò)程
     1.2.1 選擇載波波形(Uc)
     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(kāi)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(kāi)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ωs±ω0和2ωs（ωs為開(kāi)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（Ts）
     在WFG中WG-COUNT作為時(shí)基發(fā)生器工作。結(jié)合圖1說(shuō)明WG-COUNT決定載波周期的原理和工作過(guò)程。
     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(kāi)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(lái)（或新）的值重新加載到WG-COUNT后，WG-COUNT開(kāi)始新一個(gè)開(kāi)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mf的情形下，f0得到了改變，如圖1中t3～t4。
     載波周期Ts=4×WG-RELOAD/Fxtal(μs)，WG-RELOAD-16位二進(jìn)制數(shù)；Fxtal——Xtal引腳上的晶振頻率，不考慮死區(qū)時(shí)間的有效脈寬；tp=WG-COMP/Fxtal（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。WFG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(guò)是每周期送入WG-COMPx的脈寬參數(shù)按正弦調(diào)制算好。
     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。
     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(kāi)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)=kp[e(k)-e(k-1)]+k1e(k)+kD[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=kp(1+T/T1+TD/T) kp=1/δ
     比例系數(shù)
     q1=-kp(1+2TD/T) k1=kpT/T1 積分系數(shù)
     q2=kpTD/T kD=kpTD/T 微分系數(shù)
     前述正弦數(shù)據(jù)表按幅度調(diào)制比ma=1算得。調(diào)節(jié)電壓時(shí)按PID的結(jié)果修正各開(kāi)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，mf=常量。在頻率調(diào)節(jié)過(guò)程中應(yīng)保證輸出電壓不變，因此在改變WG-RELOAD內(nèi)容的時(shí)，按比較地改變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。
     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(cè)保護(hù)等功能�？刂齐娐罚�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)電路共用組電源。整個(gè)系統(tǒng)顯得比較簡(jiǎn)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。mf=33,fs=13.2kHz,f0=400Hz，td=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%

     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(jiǎn)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。

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