1引言

PWM（脈寬調(diào)制" title="脈寬調(diào)制">脈寬調(diào)制）技術(shù)是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過(guò)控制電壓脈沖寬度以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。SPWM（正弦" title="正弦">正弦脈寬調(diào)制）是由控制回路產(chǎn)生一組等幅而不等寬的矩形脈沖列，用來(lái)近似正弦電壓波。

常采用的方法有3種：一是完全由模擬電路生成；二是由數(shù)字電路生成；三是由專用集成芯片生成。模擬方法電路復(fù)雜，硬件太多，抗干擾性能差，有溫漂現(xiàn)象，難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化PWM控制（最優(yōu)化PWM的調(diào)制波都不是正弦波），系統(tǒng)可靠性低；數(shù)字方法按照不同的數(shù)字模型用計(jì)算機(jī)算出各切換點(diǎn)，將其存入內(nèi)存，然后通過(guò)查表及必要的計(jì)算產(chǎn)生SPWM波，該方法調(diào)頻范圍不寬。輸出的PWM波1/4軸不對(duì)稱，會(huì)產(chǎn)生偶次諧波，低頻區(qū)尤其嚴(yán)重，且占用內(nèi)存大，與系統(tǒng)精度之間存在矛盾；由專用集成芯片生成三相SPWM波的技術(shù)近年來(lái)被廣泛采用，常用的有HEF4752，SLE4520，MA818，MA828，MA838和MITET公司研制的三相、單相PWM產(chǎn)生器SA828，SA838系列芯片。它們多與微處理器連接，完成外圍控制功能，但在系統(tǒng)構(gòu)成上仍然較復(fù)雜。而INTEL公司近期推出的16位微處理器80C196MC，片內(nèi)集成了一個(gè)3相波形發(fā)生器WFG（WaveFormGenerator），這一外設(shè)裝置大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制波形的控制軟件和外部硬件，可構(gòu)成最小單片機(jī)系統(tǒng)同時(shí)協(xié)調(diào)完成SPWM波形生成和整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、保護(hù)、智能控制等。基于上述原因，本文采用80C196MC來(lái)構(gòu)成靜止逆變電源" title="逆變電源">逆變電源的控制電路。

280C196MC片內(nèi)波形發(fā)生器WFG簡(jiǎn)介

2.1WFG功能特點(diǎn)

80C196MC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(wú)信號(hào)時(shí)間（deadtime）發(fā)生器和一對(duì)可編程的輸出。WFG可產(chǎn)生獨(dú)立的3對(duì)PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無(wú)信號(hào)時(shí)間和操作方式。一旦起動(dòng)以后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時(shí)加以干預(yù)。

WFG產(chǎn)生SPWM波形是在下列專用寄存器的控制下完成的。

（1）雙向計(jì)數(shù)寄存器WG－COUNT：16位雙向計(jì)數(shù)器，是產(chǎn)生輸出信號(hào)的時(shí)基發(fā)生器。每個(gè)狀態(tài)周期WG－COUNT改變一個(gè)計(jì)數(shù)值。用戶可對(duì)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。

（2）重裝載寄存器WG－RELOAD：該寄存器實(shí)際包含一對(duì)16位寄存器，當(dāng)讀或?qū)懺摷拇嫫鲿r(shí)，訪問(wèn)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。

（3）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。

（4）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(wú)信號(hào)時(shí)間（deadtime）。

（5）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(hào)方式?？蓪?duì)每個(gè)引腳獨(dú)立定義有效狀態(tài)。

2.2WFG的基本工作原理

（1）WFG由時(shí)基發(fā)生器、相位驅(qū)動(dòng)通道和控制回路組成：

①時(shí)基發(fā)生器為SPWM建立載波周期。該周期值取決于WG－RELOAD的值；

②相位驅(qū)動(dòng)通道決定SPWM波形的占空比，可編程輸出，每個(gè)相位驅(qū)動(dòng)器包含一個(gè)可編程的無(wú)信號(hào)時(shí)間發(fā)生器；

③控制電路用來(lái)確定工作模式和其它寄存器配置信息。

（2）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。

中心對(duì)準(zhǔn)PWM方式中，載波周期Tc=(4×WG－RELOAD)/Fxtal(μs)

不考慮無(wú)信號(hào)時(shí)間，輸出“有效”的時(shí)間Toutput=(4×WG－COMPx)/Fxtal(μs)。不考慮無(wú)信號(hào)時(shí)間，

　　占空比=（WGCOMPx/WGRELOAD）×100％

式中WGRELOAD——16位值；

Fxtal——XTAL1引腳上晶振頻率，MHz；

WG－COMPx——16位值，等于或小于WG－RELOAD。

邊沿對(duì)準(zhǔn)PWM方式，載波周期Tc=(2×WG－RELOAD)/Fxtal(μs)

不考慮無(wú)信號(hào)時(shí)間，輸出“有效”的時(shí)間Toutput=(2×WG－COMPx)/Fxtal(μs)

不考慮無(wú)信號(hào)時(shí)間，占空比=（WG－COMPx/WG－RELOAD）×100％

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)生正是由儲(chǔ)存的正弦函數(shù)數(shù)據(jù)值經(jīng)計(jì)算后賦給WG－COMPx，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脈沖列來(lái)近似正弦波。

（3）WFG的中斷

與波形發(fā)生器有關(guān)的2種中斷：WFG中斷和EXTINT中斷。

WFG中斷是重裝載WG－COUNT時(shí)產(chǎn)生。不同的工作方式，有不同的重裝載方式，每個(gè)PWM周期，方式0在WG－COUNT=WG－RELOAD時(shí)產(chǎn)生一次WFG中斷，方式1在WG－COUNT=WG－RELOAD和WG－COUNT=1時(shí)都產(chǎn)生中斷。

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，在整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)流信號(hào)，保護(hù)電力電子開(kāi)關(guān)器件。

3逆變電源硬件電路

靜止逆變電源的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由下列幾個(gè)部分組成。

3.1主電路

它的形式為AC/DC/AC逆變電路。輸入三相交流電壓經(jīng)整流、濾波后供給逆變器。主開(kāi)關(guān)器件選用日本三菱公司2單元IGBT模塊CM75DY－24H，加上緩沖電路構(gòu)成本系統(tǒng)三相逆變電源。輸出采用隔離降壓變壓器。

3.2控制電路

80C196MC微處理器最小系統(tǒng)及少量外圍芯片構(gòu)成本系統(tǒng)控制電路。單片機(jī)產(chǎn)生三相6路SPWM信號(hào)，同時(shí)完成頻率顯示，閉環(huán)穩(wěn)壓限流控制，檢測(cè)保護(hù)，封鎖SPWM脈沖信號(hào)等功能。

3.3驅(qū)動(dòng)電路

本逆變電源驅(qū)動(dòng)電路采用日本三菱公司為驅(qū)動(dòng)IGBT設(shè)計(jì)的專用集成電路M57959L，加少許外圍元件構(gòu)成。80C196MC輸出SPWM信號(hào)可通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊M57959L直接驅(qū)動(dòng)IGBT管。當(dāng)M57959L檢測(cè)到IGBT管上的過(guò)流信號(hào)時(shí)，若持續(xù)時(shí)間大于2.5μs，則發(fā)出故障信號(hào)，否則保護(hù)電路不動(dòng)作。故障信號(hào)產(chǎn)生EXTINT中斷，封鎖各路SPWM信號(hào)，高速關(guān)斷IGBT。其典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖1系統(tǒng)主電路

圖2M57959L典型應(yīng)用電路

圖3軟件結(jié)構(gòu)

圖480C196MC生成的SPWM信號(hào)

圖5經(jīng)M57959L隔離輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)

圖6輸出電壓波形

圖7頻譜分析所得波形

4軟件設(shè)計(jì)軟件程序設(shè)計(jì)是整個(gè)逆變電源控制的核心，它決定逆變電源輸出的特性，如：電壓范圍及穩(wěn)定度，諧波含量，保護(hù)功能的完善，可靠性等。穩(wěn)壓限流逆變電源框圖如圖3所示。

軟件設(shè)計(jì)中，80C196MC初始化命令、控制命令的參數(shù)計(jì)算及SPWM波形的生成、死區(qū)時(shí)間等，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)。

輸出電壓值、電流限流值均由電位器給定，經(jīng)80C196MC片內(nèi)A/D通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。電壓給定值經(jīng)運(yùn)算處理作為調(diào)制深度系數(shù)，控制M57959L輸出SPWM信號(hào)。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

按照上述硬件電路制作了1臺(tái)三相8kVA的靜止逆變電源。主要參數(shù)是三相輸入380V，50Hz，三相輸出220V，400Hz。取載波頻率6.4kHz，死區(qū)時(shí)間5μs。用SignalView通用信號(hào)分析軟件采集到隔離前后的調(diào)制深度系數(shù)M=0.87時(shí)的SPWM信號(hào)如圖4,圖5所示。

采用L型濾波（濾波電容15μF，電感0.37mH）后輸出電壓波形如圖6所示（為方便，降壓采集）.

　　以該軟件對(duì)輸出波形進(jìn)行頻譜分析后的波形如圖7所示。

用YOKOGAWAModelWT2030DigitalPowerMeter測(cè)試儀測(cè)得該靜止逆變電源的主要技術(shù)指標(biāo)為：

電壓穩(wěn)定度（負(fù)載變化100％，輸入變化10％）1％；

總諧波含量2.7％；整機(jī)效率85％以上。

實(shí)驗(yàn)表明，在研制逆變電源過(guò)程中，采用了16位單片機(jī)80C196MC最小系統(tǒng)后，整個(gè)控制電路大大簡(jiǎn)化，器件減少，結(jié)構(gòu)緊湊，降低了成本，在16位方式下數(shù)據(jù)處理快，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，提高了可靠性。通過(guò)測(cè)試取得了比較理想的結(jié)果。同時(shí)，只需改變編程軟件中的兩個(gè)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可用于單相逆變電源。相信80C196MC微處理器在變頻智能控制領(lǐng)域有較好的實(shí)用價(jià)值和推廣前景。