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80C196MC

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80C196MC單片機波形發(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)計要點。使逆變控制電路實現(xiàn)了全數(shù)字操作，改進了傳統(tǒng)的控制方法。試驗表明，該方案結(jié)構(gòu)緊湊、動態(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，到目前采取全數(shù)字化方案，完成實時在線的PWM（SPWM）信號輸出。PWM控制電路經(jīng)歷了由實級到越來越完善的演化。
     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)要與單片機連接才能完成SPWM控制功能，對于要求較高的逆變系統(tǒng)來說仍然不夠簡捷。INTEL公司推出的16位單片機8XC196MC片內(nèi)集成了三相SPWM波形發(fā)生器WFG（Wave
     Form Generator，以下簡稱WFG）[1]，為逆變控制電路的全數(shù)字化設(shè)計提供了強有力的硬件支持，它的軟件指令豐富，與其它196XX單片機基本兼容。本文重點介紹80C196MC中WFG的工作原理及軟件的設(shè)計要點。
     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)電動機和無刷直流電機的速度控制以及變頻電源的SPWM控制。
     1.1 WFG的組成
     WFG有三個相同的PWM模塊。每個模塊都包含一個相同的比較寄存器、死區(qū)時間（deadtime）發(fā)生器和一以對可編程輸出控制器。從功能上可把WFG劃分為三大部分：時基發(fā)生器、相位比較通道和輸出控制電路。共有八個特殊功能寄存器（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[1]。
     1.2 SPWM波形產(chǎn)生過程
     1.2.1 選擇載波波形(Uc)
     WG-CON中B12、B13兩個控制位，有四種控制方式可選擇：方式0～方式3。方式0、方式1為中心對準方式，即把SPWM脈沖安排在開關(guān)周期的中心點上，這與模擬電路中三角波載波（雙邊調(diào)制）相對應(yīng)。方式0和方式1的區(qū)別在于波形參數(shù)的重加載時間和次數(shù)不同。方式2和3是邊沿對準方式，即把SPWM脈沖波安排在開關(guān)周期的起始點上，這與模擬電路中的鋸齒波載波（單邊調(diào)制）相對應(yīng)。其區(qū)別也是重加載的時機不同。中心對準的SPWM波形所造成的諧波小，不含ωs±ω0和2ωs（ωs為開關(guān)角頻率，ω0為信號波角頻率）諧波[2]，通常采用中心對準方式。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作為時基發(fā)生器工作。結(jié)合圖1說明WG-COUNT決定載波周期的原理和工作過程。
     上電復(fù)位，WFG中所有寄存器的值為0。首次寫入到WG-RELOAD中的值在一個晶振周期后裝入WG-COUNT。若WG-CON中的EC=1，開始減1計數(shù)，至0001H，等待一個時鐘周期后作加1計數(shù)，直至WG-COUNT中的值等于計數(shù)比較寄存器的值，此時完成一個載波周期，如圖1中t1～t2。WG-RELOAD的內(nèi)容裝入WG-COUNT和計數(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（或新）的值重新加載到WG-COUNT后，WG-COUNT開始新一個開關(guān)周期的計數(shù)，循環(huán)往復(fù)。WG-COUNT的輸出數(shù)據(jù)與時間的關(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位二進制數(shù)；Fxtal——Xtal引腳上的晶振頻率，不考慮死區(qū)時間的有效脈寬；tp=WG-COMP/Fxtal（μs）。
     1.2.3 有死區(qū)時間的PWM波形
     死區(qū)時間（deadtime）用以防止一對（同一橋臂）信號同時有效，保證產(chǎn)生不交疊的輸出波形，死區(qū)時間產(chǎn)生電路如圖2所示，波形如圖3所示。當WG-COUNT=WG-COMPx時，相位比較器產(chǎn)生一跳變信號，由此啟動一個10位死區(qū)時間計數(shù)器（WG-CON的低10位），使輸出DT為低電平，當減至0時，DT為高。WFG和DT相與，得WG-EVEN信號，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)時間的PWM波形。有死區(qū)時間的SPWM信號生成原理與此相同。只不過是每周期送入WG-COMPx的脈寬參數(shù)按正弦調(diào)制算好。
     2 軟件設(shè)計
     由于篇幅限制，本文僅介紹軟件設(shè)計中的有關(guān)要點，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，控制主電路三相橋中6個功率開關(guān)器件的通斷。因此首先需建立三相正弦脈寬數(shù)據(jù)表，由單片機初始化時算好，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
     由于負載和電網(wǎng)的擾動，輸出電壓是不穩(wěn)定的。要達到良好的動態(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)電壓時按PID的結(jié)果修正各開關(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)過程中應(yīng)保證輸出電壓不變，因此在改變WG-RELOAD內(nèi)容的時，按比較地改變WG-COMPx中的值。
     2.4 軟件流程框圖
     軟件設(shè)計是逆變控制電路設(shè)計的重要組成部分，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，保護功能的完善、可靠性等。軟件設(shè)計流程圖如圖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單片機最小系統(tǒng)為控制電路，完成六路SPWM控制信號的產(chǎn)生，電壓、電流、頻率數(shù)碼管顯示，閉環(huán)穩(wěn)壓、檢測保護等功能。控制電路（80C196MC）輸出的六路SPWM經(jīng)IR2110×3后作為逆變橋的驅(qū)動信號。由于IR2110自身對逆變橋上管有自舉懸浮驅(qū)動功能，控制和驅(qū)動電路共用組電源。整個系統(tǒng)顯得比較簡單。
     4 試驗結(jié)果
     完成了一臺2kW三相400kHz變頻電源試驗電路。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%（額定負載）
     THD>3%

     采用16位單片機80C196MC最小系統(tǒng)，使整個控制電路大為簡化并且實現(xiàn)了全數(shù)字化。器件減少、結(jié)構(gòu)緊湊、性價比高。試驗表明，系統(tǒng)動態(tài)特性好、可靠性高。

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