中心議題：
解決方案：
- 采用INTEL公司的單片機N87C196MC
- 片內(nèi)集成一個3相波形發(fā)生器WFG
- 軟件設(shè)計
引言
隨著國內(nèi)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，空調(diào)車,、豪華車也進入了新的發(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是專為電機拖動設(shè)置的低成本單片機芯片,，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?？煽刂朴嫈?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,?？捎糜谶x擇輸出引腳的輸出信號方式?？蓪γ總€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中斷由保護電路產(chǎn)生,?？删幊淘O(shè)置產(chǎn)生中斷的方式是邊沿觸發(fā)或電平觸發(fā)，當控制系統(tǒng)檢測到過流信號,，單片機自動封鎖SPWM波形,，從而關(guān)斷IGBT， 來保護電力電子開關(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，封鎖SPWM脈沖信號,，保護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
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,，因此作者認為N87C196MC單片機在電機拖動控制領(lǐng)域有良好的實用價值,。