87C196MC與IPM模塊組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)

隨著大功率開關(guān)器件制造技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，交流電機(jī)的變頻調(diào)速在一般工業(yè)領(lǐng)域以至許多民用領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。在節(jié)能、減少維修、提高產(chǎn)品產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量等方面都取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。目前，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的研究和開發(fā)已引起各國學(xué)者的高度重視，而所用微處理器、功率器件及產(chǎn)生SPWM波的方法是影響變頻器性能好壞的直接因素。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1.1 87C196MC及IPM簡介

87C196MC 是Intel公司專門為三相異步電動機(jī)和直流無刷電動機(jī)控制而設(shè)計的16位單片機(jī)。它由C196內(nèi)核、8KB EPROM、三相波形發(fā)生器WFG、A/D轉(zhuǎn)換器、事件處理門陣列EPA、定時器和脈寬調(diào)制單元等組成。其中，三相波形發(fā)生器WFG是87C196MC的一大特色。WFG可以通過P6口直接輸出用于逆變器驅(qū)動的6路SPWM信號，每個引腳的驅(qū)動電流可達(dá)20mA，在使用16MHz時，驅(qū)動信號的頻率可達(dá) 8MHz。為防止同一橋臂上2個功率管發(fā)生直通造成短路，該發(fā)生器還可通過編程設(shè)置死區(qū)互銷時間，在16MHz晶振時，死區(qū)時間范圍為 0.125～125μs之間。一旦啟動，WFG只要CPU在改變PWM波的占空比時加以干涉，大大減少了CPU的開銷。三相波形發(fā)生器WFG的存在大大簡化了用于產(chǎn)生PWM波形的軟件和硬件，使系統(tǒng)得以大大簡化。

智能功率模塊IPM已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在變頻器、數(shù)控機(jī)庫、工業(yè)機(jī)器人等電能轉(zhuǎn)換設(shè)備中。帶有IGBT驅(qū)動電路和自診斷、保護(hù)功能完善的IPM的使用，使得電能轉(zhuǎn)換設(shè)備體積更小、更可靠、更具智能化。本系統(tǒng)所選用的功率器件為7MBP50RA120。它內(nèi)部含有組成1個三相H橋（逆變橋）和1個制動單元的7個 IGBT和7個快速功率二極管，并且含有相應(yīng)的驅(qū)動電路。另外它的保護(hù)功能相當(dāng)完善，內(nèi)含過電流保護(hù)（OC）、短路保護(hù)（SC）、驅(qū)動電源欠電壓保護(hù)（UV）、過熱保護(hù)（OH）、報警輸出（ALM）等。7MBP50RA120是富士電機(jī)推出的第4代R-系列智能功率模塊IPM，它克服了在傳統(tǒng)的 IGBT-IPM中，當(dāng)工作溫度迅速上升時IPM可能被擊穿（這種擊穿發(fā)生是因為提供溫度保護(hù)的溫控器安裝在IGBT芯片的絕緣基板上）以及有時由于寄生電容或控制電路產(chǎn)生的寄生電感而引起的噪聲使IGBT產(chǎn)生誤動作的缺點(diǎn)，并且該系列的IPM所使用的元件數(shù)量比傳統(tǒng)的IPM少得多（僅為5%），可靠性得到很大提高。

1.2 硬件電路

系統(tǒng)硬件電路采用交-直-交變頻方式，如圖1所示。三相工頻電壓經(jīng)速流橋6RI30G-160整流后，再經(jīng)2個電容器HCGF5A2W222Y平滑濾波后送至IPM模塊7MBP50RA120的主電流輸入端口P、N端。

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16 位的87C196MC通過計算查表把存儲在片內(nèi)EPROM中的正弦波數(shù)據(jù)送至97C196MC的波形發(fā)生器。波形發(fā)生器產(chǎn)生的三相互補(bǔ)的SPWM信號經(jīng) WFG1～WFG3端輸出、再經(jīng)光耦隔離后送至IPM的驅(qū)動信號輸入端VinU、VinV、VinW（上橋臂）和VinX、VinY、VinZ(下橋臂)。8個按鍵：功能鍵FUN、顯示鍵DISPLAY、設(shè)定鍵SET、移位鍵MOVE、啟動/停止鍵RUN/STOPS、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)鍵FWD/REV、2 個增減鍵（↑）和（↓）直接與87C196MC的P0口相連。顯示驅(qū)動芯片采用ICM7218B。頻率給定電位器直接與P1.4/ACH12相連，用于手動給定設(shè)置頻率。當(dāng)設(shè)置頻率給定為數(shù)字給定方式時，手動調(diào)節(jié)電位器給定不起作用。當(dāng)IPM內(nèi)部的故障檢測電路檢測到有故障時，其故障輸出端ALM立即發(fā)出故障信號，此信號和調(diào)速系統(tǒng)控制保護(hù)電路中的其它過流、過壓、欠壓等故障信號一起經(jīng)邏輯電路送至87C196MC的EXTINT端，以便87C196MC 及時實施對IPM驅(qū)動電路的封鎖，保護(hù)IPM及其它電路不致?lián)p壞，并且在LED顯示器上顯示其故障來源。87C196MC的P6.6用于控制IPM的制動單元，以保證主電路的直流電壓不致過高。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由主程序、故障中斷子程序、顯示子程序、鍵盤服務(wù)程序、捕獲/比較模塊2中斷、捕獲/比較模塊3中斷、WFG中斷、A/D采樣中斷子程序等構(gòu)成。主程序中主要完成系統(tǒng)的初始化、并根據(jù)顯示模塊計算要顯示的數(shù)據(jù)并送出顯示、鍵盤掃描及服務(wù)處理、輸入數(shù)據(jù)的碼制變換等等；故障中斷子程序中視故障性質(zhì)完成自處理或故障報警、封鎖觸發(fā)脈沖、跳閘等；捕獲/比較模塊2作為軟件定時器完成20ms的定時，作為鍵盤去抖動和盤管理的定時（如設(shè)定參數(shù)時，5s內(nèi)不按下任何按鍵則認(rèn)為設(shè)定該參數(shù)完畢等）；捕獲/比較模塊3作為軟件定時器實現(xiàn)1ms的定時，用于完成實際調(diào)制頻率fop的計算及觸發(fā)A/D采樣，其中框圖中的fmin、fop、fset、Δfmax分別為系統(tǒng)最低調(diào)制頻率、實際調(diào)制頻率、給定調(diào)制頻率及允許的最大頻率變化量；WFG中斷程序中，根據(jù)fop查 V/F表，計算相位比較寄存器WG_COMPX的值。本系統(tǒng)中，調(diào)制方式采用異步調(diào)制，即載波頻率fc=4.8kHz不變。為計算方便，建立的正弦函數(shù)表中數(shù)據(jù)的最大值sin90°的值為2 13，V/F表（即調(diào)制深度系數(shù)m值）中數(shù)據(jù)的最大值為417×2 3。圖2給出捕獲/比較模塊3中斷子程序框圖，圖3給出WFG中斷子程序框圖。

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在圖3中，θu、θv、θw分別為U相、V相、W相調(diào)制正弦波的相位，U_TEMP、V_TEMP、 W_TEMP的3個臨時變量，它們的數(shù)值在該子程序后面最終被裝入波形發(fā)生器的三個相位比較緩沖器WG_COMP1、WG_COMP2和WG_COMP3 之中。WG_RELOAD為重裝載寄存器，其值在每次產(chǎn)生WFG中斷時自動裝入計數(shù)器比較寄存器。θstep為當(dāng)前調(diào)制頻率下相鄰2個WFG中斷的時間間隔所對應(yīng)的正弦波角度，由于在下次WFG中斷產(chǎn)生時硬件自動將本次計算的相位比較緩沖器WG_COMPX值裝入相應(yīng)的相位比較寄存器，使WFG產(chǎn)生雙極型 SPWM波（WFG工作于工作方式0），因此在查正弦表時，U、V、W某一相的相位指針應(yīng)該對應(yīng)加上與θstep相對應(yīng)的n個數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果及結(jié)論

根據(jù)上述的軟硬件設(shè)計方案，設(shè)計了一個變頻調(diào)速系統(tǒng)，被控對象為上海南洋電機(jī)廠生產(chǎn)的變頻調(diào)速電機(jī) YT8P1326-4，額定功率為5.5kW，其負(fù)載電流波形如圖4所示。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計合理，具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。這說明 87C196MC單片機(jī)與IPM在變頻器應(yīng)用方面具有一定的優(yōu)勢，能給變頻器的軟硬件設(shè)計帶來極大的方便。