《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單片機(jī)的空調(diào)逆變器設(shè)計(jì)
摘要: 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,??照{(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,。
Abstract:
Key words :

中心議題:

解決方案:

  • 采用INTEL公司的單片機(jī)N87C196MC
  • 片內(nèi)集成一個(gè)3相波形發(fā)生器WFG
  • 軟件設(shè)計(jì)


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,??照{(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(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算,,這樣系統(tǒng)一致性很高,沒用溫漂現(xiàn)象,,同時(shí)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(gè)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(diǎn)

N87C196MC片內(nèi)WFG有3個(gè)同步的PWM模塊,,每個(gè)模塊包含一個(gè)相位比較寄存器,、一個(gè)無信號時(shí)間發(fā)生器和一對可編程的輸出,即WFG可產(chǎn)生獨(dú)立的3對6個(gè)PWM波形,,它們有共同的載波頻率,、無信號時(shí)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(shí)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(jì)數(shù)寄存器WG COUNT,。16位雙向計(jì)數(shù)器是3對輸出信號的時(shí)基發(fā)生器,。它的時(shí)鐘頻率是振蕩頻率處于2,每個(gè)狀態(tài)周期WG COUNT改變一個(gè)計(jì)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(jì)數(shù)器中。

b.重裝載寄存器WG RELOAD,。該寄存器實(shí)際包含一對1 6位寄存器,,當(dāng)讀或?qū)懺摷拇嫫鲿r(shí),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(gè)寄存器。這后一個(gè)寄存器叫做計(jì)數(shù)器比較寄存器,它是WG_COUNT實(shí)際與之比較的時(shí)間寄存器,。

c.相位比較寄存器WG_COMPx,。共有3個(gè)(X=1,2,,3)可讀寫的16位相位比較緩沖器,。每一個(gè)相位比較緩沖器有一個(gè)關(guān)聯(lián)的比較寄存器,它的值與每次計(jì)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(gè)16位寄存器,??煽刂朴?jì)數(shù)方式及產(chǎn)生3個(gè)10位無信號時(shí)間(deadtime)。利用無信號時(shí)間重裝載寄存器可以隨時(shí)改變無信號時(shí)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,??蓪γ總€(gè)引腳獨(dú)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(shí)基發(fā)生器,、相位驅(qū)動通道和控制電路。

(1)時(shí)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(gè)獨(dú)立的相位驅(qū)動通道,,每一個(gè)通道有一對可編程輸出,,每個(gè)相位驅(qū)動器包含一個(gè)可編程的無信號時(shí)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(shí)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(shí),,根據(jù)所選擇的工作方式,,作為時(shí)基發(fā)生器的WG_COUNT連續(xù)向上計(jì)數(shù)或向上/向下計(jì)數(shù),每次計(jì)數(shù)時(shí),,WG_COUNT內(nèi)容與計(jì)數(shù)比較寄存器WG_RELOAD的值作比較,,當(dāng)二者匹配時(shí),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(shí)間,輸出"有效"的時(shí)間Toutput=(4×WG_COMPx)/Fxtal(μ s)。

不考慮無信號時(shí)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(jì)算后賦給WG COMPX的,,每一次中斷都賦給WG COMPX一個(gè)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(shí)產(chǎn)生,。方式0在WG_COUNT=WG_RELOAD時(shí)產(chǎn)生一次WFG中斷,,每次中斷都產(chǎn)生一個(gè)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(gè)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(shí)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。
 

 


圖1 控制電路
 

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(jì)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(shí)IGBT管開通時(shí),,持續(xù)時(shí)間大于2.5 μ s,則發(fā)出故障信號,,同時(shí)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。
 


圖2 空調(diào)逆變器驅(qū)動電路


3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)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(yùn)算作為穩(wěn)壓的依據(jù),。

4 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí),,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(shí)用價(jià)值。

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