196系列單片機(jī)在空調(diào)逆變器中的運用

0 引言

　　隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，空調(diào)車、豪華車也進(jìn)入了新的發(fā)展階段。空調(diào)逆變器是一種新型高效無污染“綠色”能源，其應(yīng)用前景非常廣闊。

　　SPWM技術(shù)是空調(diào)逆變器中主要的控制技術(shù)，要生成SPWM脈沖常采用兩種方法：一是由模擬電路生成；二是由單片機(jī)等數(shù)字電路生成。前者電路復(fù)雜，抗干擾性能差，有溫漂現(xiàn)象，系統(tǒng)可靠性和一致性低；數(shù)字方法則利用計算機(jī)實時計算，這樣系統(tǒng)一致性很高，沒用溫漂現(xiàn)象，同時調(diào)試工作量大大降低。INTEL公司推出的16位微處理器N87C196MC／MD是專為電機(jī)拖動設(shè)置的低成本單片機(jī)芯片，片內(nèi)集成了一個3相波形發(fā)生器WFG(Wave Form Generator)，這一外設(shè)裝置大大簡化了產(chǎn)生SPWM波形的控制軟件和外部硬件，完成整套控制電路十分簡潔。

　　1 N87C1 96MC片內(nèi)波形發(fā)生器簡介

　　1．1 WFG的功能特點

　　N87C196MC片內(nèi)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、一個無信號時間發(fā)生器和一對可編程的輸出，即WFG可產(chǎn)生獨立的3對6個PWM波形，它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作模式。一旦工作以后，WFG只要求單片機(jī)在改變PWM的占空比時對WG COMPX寄存器改變賦值即可。

　　WFG產(chǎn)生SPWM波形是在下列專用寄存器的控制下完成的。

　　a．雙向計數(shù)寄存器WG COUNT。16位雙向計數(shù)器是3對輸出信號的時基發(fā)生器。它的時鐘頻率是振蕩頻率處于2，每個狀態(tài)周期WG COUNT改變一個計數(shù)值。用戶可對WG RELOAD寄存器進(jìn)行寫操作，而它的值周期地裝入到計數(shù)器中。

　　b．重裝載寄存器WG RELOAD。該寄存器實際包含一對1 6位寄存器，當(dāng)讀或?qū)懺摷拇嫫鲿r，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(shù)器比較寄存器，它是WG_COUNT實際與之比較的時間寄存器。

　　c．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(guān)聯(lián)的比較寄存器，它的值與每次計數(shù)后的WG_COUNT相比較。這些寄存器不能直接被用戶訪問。

　　d．控制寄存器WG_CON。WG_CON是一個16位寄存器。可控制計數(shù)方式及產(chǎn)生3個10位無信號時間(deadtime)。利用無信號時間重裝載寄存器可以隨時改變無信號時間。

　　e．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(tài)。

　　1．2 WFG的基本工作原理

　　a．從功能上，WFG可分為3部分：時基發(fā)生器、相位驅(qū)動通道和控制電路。

　　(1)時基發(fā)生器為PWM建立載波周期。該周期值取決于WG_RELOAD的值；

　　(2)相位驅(qū)動通道決定PWM波形的占空比，共有3個獨立的相位驅(qū)動通道，每一個通道有一對可編程輸出，每個相位驅(qū)動器包含一個可編程的無信號時間發(fā)生器；

　　(3)控制電路包含一些用來確定工作模式和其它配置信息的寄存器。

　　b．時基發(fā)生器WG_COUNT有4種工作方式。當(dāng)選通波形發(fā)生器工作時，根據(jù)所選擇的工作方式，作為時基發(fā)生器的WG_COUNT連續(xù)向上計數(shù)或向上／向下計數(shù)，每次計數(shù)時，WG_COUNT內(nèi)容與計數(shù)比較寄存器WG_RELOAD的值作比較，當(dāng)二者匹配時，按所選擇的工作方式產(chǎn)生相應(yīng)操作。

　　我們一般選擇第0種工作模式，中心對準(zhǔn)PWM方式：

　　載波周期Tc=(4×WG RELOAD)／Fxtal(μ s)

　　不考慮無信號時間，輸出"有效"的時間Toutput=(4×WG_COMPx)／Fxtal(μ s)。

　　不考慮無信號時間，占空比=(WG COMPx／WG RELOAD)×100％。

　　其中Fxtal為XTAL1引腳上晶振頻率，MHz；WG COMPx為16位值，等于或小于WG_RELOAD，如果大于WG_RELOAD的值輸出占空比為1。

　　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(chǎn)生正是由正弦規(guī)律的數(shù)據(jù)值經(jīng)計算后賦給WG COMPX的，每一次中斷都賦給WG COMPX一個隨正弦規(guī)律變化的值，從而產(chǎn)生一系列脈寬不等的SPWM波。

　　c．WFG的中斷。與波形發(fā)生器有關(guān)的中斷有2種：WFG中斷和EXTINT中斷。WFG中斷在重裝載WG COUNT時產(chǎn)生。方式0在WG_COUNT=WG_RELOAD時產(chǎn)生一次WFG中斷，每次中斷都產(chǎn)生一個正弦規(guī)律的脈沖波，從而形成SPWM波。

　　EXTINT中斷由保護(hù)電路產(chǎn)生。可編程設(shè)置產(chǎn)生中斷的方式是邊沿觸發(fā)或電平觸發(fā)，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到過流信號，單片機(jī)自動封鎖SPWM波形，從而關(guān)斷IGBT， 來保護(hù)電力電子開關(guān)器件。

2 空調(diào)逆變器主回路

　　空調(diào)逆變電源主要由下列幾個部分組成：

　　2．1 主電路

　　它的形式為DC／AC逆變電路。輸入電壓為DC600V，經(jīng)輸入接觸器、預(yù)充電電路、支撐電容供給逆變器。主開關(guān)器件選用德國SIEMENS公司的2單元IGBT模塊，加上輸出濾波電路構(gòu)成空調(diào)逆變器。輸出用隔離變壓器得到三相四線電。

　　2．2 控制電路

　　N87C196MC微處理器以及少量外圍芯片構(gòu)成本電源控制電路，十分簡潔。單片機(jī)產(chǎn)生三相6路SPWM信號，同時完成輸入電壓、輸出電壓、輸入電流等采樣，檢測保護(hù)，封鎖SPWM脈沖信號，保護(hù)IGBT等功能。

　　2．3 驅(qū)動電路

　　逆變器驅(qū)動電路采用日本三菱公司為驅(qū)動IGBT設(shè)計的專用集成電路M5 7962L，加少量外圍元件構(gòu)成。N87C196MC輸出SPWM信號通過外圍電路放大后直接給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊直接驅(qū)動IGBT管，最大可驅(qū)動400AIGBT。當(dāng)M57962L檢測到IGBT管上C、E極電壓高與8V，而且此時IGBT管開通時，持續(xù)時間大于2．5 μ s，則發(fā)出故障信號，同時封鎖驅(qū)動波形，并且發(fā)出故障信號給N87C196MC，單片機(jī)產(chǎn)生EXTINT中斷，封鎖各路SPWM信號，高速關(guān)斷IGBT。

　　3 軟件設(shè)計

　　軟件是整個控制系統(tǒng)的核心，所有的電路均為軟件來服務(wù)，它決定逆變器的性能，如輸出電壓穩(wěn)定度、輸出諧波含量。

　　輸出電壓值、電流限流值均由瑞士LEM公司霍爾傳感器來檢測，經(jīng)整理后給保護(hù)電路和N87C196MC，經(jīng)N87C196MC片內(nèi)A／D通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。輸出電壓給定值經(jīng)運算作為穩(wěn)壓的依據(jù)。

　　4 實驗結(jié)果及結(jié)論

　　按照上述電路制作了一臺三相35kVA的空調(diào)電源。主要參數(shù)是輸入為DC600V，三相輸出380V／50HZ。取載波頻率6kHz，無信號時間2．5 μ s。采用輸出濾波(濾波電容50 μ F，電感O．6mH)后輸出電壓，用FLUKE電源分析儀測，總諧波含量3％，效率為97％。

　　實驗表明，在研制空調(diào)逆變器過程中，采用了INTEL公司單片機(jī)N87C196MC后，整個控制電路只需加少量外圍器件，結(jié)構(gòu)緊湊，降低了成本，提高了可靠性。通過測試取得了比較理想的結(jié)果。同時，只需通過改變軟件，該系統(tǒng)即可用于單相逆變電源，應(yīng)用十分靈活，因此作者認(rèn)為N87C196MC單片機(jī)在電機(jī)拖動控制領(lǐng)域有良好的實用價值。