87C196MC與IPM模塊組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)

隨著大功率開(kāi)關(guān)器件制造技術(shù)和計(jì)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(kāi)發(fā)已引起各國(guó)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(jì)

1.1 87C196MC及IPM簡(jiǎn)介

87C196MC 是Intel公司專(zhuān)門(mén)為三相異步電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制而設(shè)計(jì)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(mén)陣列EPA、定時(shí)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(guò)P6口直接輸出用于逆變器驅(qū)動(dòng)的6路SPWM信號(hào)，每個(gè)引腳的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)20mA，在使用16MHz時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率可達(dá) 8MHz。為防止同一橋臂上2個(gè)功率管發(fā)生直通造成短路，該發(fā)生器還可通過(guò)編程設(shè)置死區(qū)互銷(xiāo)時(shí)間，在16MHz晶振時(shí)，死區(qū)時(shí)間范圍為 0.125～125μs之間。一旦啟動(dòng)，WFG只要CPU在改變PWM波的占空比時(shí)加以干涉，大大減少了CPU的開(kāi)銷(xiāo)。三相波形發(fā)生器WFG的存在大大簡(jiǎn)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(jiǎn)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(kù)、工業(yè)機(jī)器人等電能轉(zhuǎn)換設(shè)備中。帶有IGBT驅(qū)動(dòng)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(gè)三相H橋（逆變橋）和1個(gè)制動(dòng)單元的7個(gè) IGBT和7個(gè)快速功率二極管，并且含有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。另外它的保護(hù)功能相當(dāng)完善，內(nèi)含過(guò)電流保護(hù)（OC）、短路保護(hù)（SC）、驅(qū)動(dòng)電源欠電壓保護(hù)（UV）、過(guò)熱保護(hù)（OH）、報(bào)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(shí)IPM可能被擊穿（這種擊穿發(fā)生是因?yàn)樘峁囟缺Ｗo(hù)的溫控器安裝在IGBT芯片的絕緣基板上）以及有時(shí)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(dòng)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(gè)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(guò)計(jì)算查表把存儲(chǔ)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(hào)經(jīng) WFG1～WFG3端輸出、再經(jīng)光耦隔離后送至IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端VinU、VinV、VinW（上橋臂）和VinX、VinY、VinZ(下橋臂)。8個(gè)按鍵：功能鍵FUN、顯示鍵DISPLAY、設(shè)定鍵SET、移位鍵MOVE、啟動(dòng)/停止鍵RUN/STOPS、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)鍵FWD/REV、2 個(gè)增減鍵（↑）和（↓）直接與87C196MC的P0口相連。顯示驅(qū)動(dòng)芯片采用ICM7218B。頻率給定電位器直接與P1.4/ACH12相連，用于手動(dòng)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(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器給定不起作用。當(dāng)IPM內(nèi)部的故障檢測(cè)電路檢測(cè)到有故障時(shí)，其故障輸出端ALM立即發(fā)出故障信號(hào)，此信號(hào)和調(diào)速系統(tǒng)控制保護(hù)電路中的其它過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等故障信號(hào)一起經(jīng)邏輯電路送至87C196MC的EXTINT端，以便87C196MC 及時(shí)實(shí)施對(duì)IPM驅(qū)動(dòng)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(lái)源。87C196MC的P6.6用于控制IPM的制動(dòng)單元，以保證主電路的直流電壓不致過(guò)高。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由主程序、故障中斷子程序、顯示子程序、鍵盤(pán)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(jì)算要顯示的數(shù)據(jù)并送出顯示、鍵盤(pán)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(bào)警、封鎖觸發(fā)脈沖、跳閘等；捕獲/比較模塊2作為軟件定時(shí)器完成20ms的定時(shí)，作為鍵盤(pán)去抖動(dòng)和盤(pán)管理的定時(shí)（如設(shè)定參數(shù)時(shí)，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(shí)器實(shí)現(xiàn)1ms的定時(shí)，用于完成實(shí)際調(diào)制頻率fop的計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)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(gè)臨時(shí)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(gè)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(shí)自動(dòng)裝入計(jì)數(shù)器比較寄存器。θstep為當(dāng)前調(diào)制頻率下相鄰2個(gè)WFG中斷的時(shí)間間隔所對(duì)應(yīng)的正弦波角度，由于在下次WFG中斷產(chǎn)生時(shí)硬件自動(dòng)將本次計(jì)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(shí)，U、V、W某一相的相位指針應(yīng)該對(duì)應(yīng)加上與θstep相對(duì)應(yīng)的n個(gè)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

根據(jù)上述的軟硬件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)，被控對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)合理，具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。這說(shuō)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(shì)，能給變頻器的軟硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的方便。