基于单片机的空调逆变器设计

中心议题：
    *  单片机在空调逆变器中的运用
    *  空调逆变器主回路设计
    *  软件设计
解决方案：
    *  采用载波频率6kHz
    *  采用输出滤波后输出电压
    *  用FLUKE电源分析仪测

引言

随着国内经济的飞速发展，空调车、豪华车也进入了新的发展阶段。空调逆变器是一种新型高效无污染“绿色”能源，其应用前景非常广阔。

SPWM技术是空调逆变器中主要的控制技术，要生成SPWM脉冲常采用两种方法：一是由模拟电路生成；二是由单片机等数字电路生成。前者电路复杂，抗干扰性能差，有温漂现象，系统可靠性和一致性低；数字方法则利用计算机实时计算，这样系统一致性很高，没用温漂现象，同时调试工作量大大降低。INTEL公司推出的16位微处理器N87C196MC／MD是专为电机拖动设置的低成本单片机芯片，片内集成了一个3相波形发生器WFG(Wave Form Generator)，这一外设装置大大简化了产生SPWM波形的控制软件和外部硬件，完成整套控制电路十分简洁。

1 N87C1 96MC片内波形发生器简介

1．1 WFG的功能特点

N87C196MC片内WFG有3个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器、一个无信号时间发生器和一对可编程的输出，即WFG可产生独立的3对6个PWM波形，它们有共同的载波频率、无信号时间和操作模式。一旦工作以后，WFG只要求单片机在改变PWM的占空比时对WG COMPX寄存器改变赋值即可。

WFG产生SPWM波形是在下列专用寄存器的控制下完成的。

a．双向计数寄存器WG COUNT。16位双向计数器是3对输出信号的时基发生器。它的时钟频率是振荡频率处于2，每个状态周期WG COUNT改变一个计数值。用户可对WG RELOAD寄存器进行写操作，而它的值周期地装入到计数器中。

b．重装载寄存器WG RELOAD。该寄存器实际包含一对1 6位寄存器，当读或写该寄存器时，访问的是WG RELOAD寄存器。写到WG_RELOAD的值，被周期地(取决于操作方式)装入到第二个寄存器。这后一个寄存器叫做计数器比较寄存器，它是WG_COUNT实际与之比较的时间寄存器。

c．相位比较寄存器WG_COMPx。共有3个(X=1，2，3)可读写的16位相位比较缓冲器。每一个相位比较缓冲器有一个关联的比较寄存器，它的值与每次计数后的WG_COUNT相比较。这些寄存器不能直接被用户访问。

d．控制寄存器WG_CON。WG_CON是一个16位寄存器。可控制计数方式及产生3个10位无信号时间(deadtime)。利用无信号时间重装载寄存器可以随时改变无信号时间。

e．输出控制缓冲寄存器WG_OUT。可用于选择输出引脚的输出信号方式。可对每个引脚独立定义有效状态。

1．2 WFG的基本工作原理

a．从功能上，WFG可分为3部分：时基发生器、相位驱动通道和控制电路。

(1)时基发生器为PWM建立载波周期。该周期值取决于WG_RELOAD的值；

(2)相位驱动通道决定PWM波形的占空比，共有3个独立的相位驱动通道，每一个通道有一对可编程输出，每个相位驱动器包含一个可编程的无信号时间发生器；

(3)控制电路包含一些用来确定工作模式和其它配置信息的寄存器。

b．时基发生器WG_COUNT有4种工作方式。当选通波形发生器工作时，根据所选择的工作方式，作为时基发生器的WG_COUNT连续向上计数或向上／向下计数，每次计数时，WG_COUNT内容与计数比较寄存器WG_RELOAD的值作比较，当二者匹配时，按所选择的工作方式产生相应操作。
 

我们一般选择第0种工作模式，中心对准PWM方式：

载波周期Tc=(4×WG RELOAD)／Fxtal(μ s)

不考虑无信号时间，输出"有效"的时间Toutput=(4×WG_COMPx)／Fxtal(μ s)。

不考虑无信号时间，占空比=(WG COMPx／WG RELOAD)×100％。

其中Fxtal为XTAL1引脚上晶振频率，MHz；WG COMPx为16位值，等于或小于WG_RELOAD，如果大于WG_RELOAD的值输出占空比为1。

由上式可知，WG COMPX值的变化，改变了PWM波的占空比。而SPWM波形的产生正是由正弦规律的数据值经计算后赋给WG COMPX的，每一次中断都赋给WG COMPX一个随正弦规律变化的值，从而产生一系列脉宽不等的SPWM波。

c．WFG的中断。与波形发生器有关的中断有2种：WFG中断和EXTINT中断。WFG中断在重装载WG COUNT时产生。方式0在WG_COUNT=WG_RELOAD时产生一次WFG中断，每次中断都产生一个正弦规律的脉冲波，从而形成SPWM波。

EXTINT中断由保护电路产生。可编程设置产生中断的方式是边沿触发或电平触发，当控制系统检测到过流信号，单片机自动封锁SPWM波形，从而关断IGBT， 来保护电力电子开关器件。

2 空调逆变器主回路

空调逆变电源主要由下列几个部分组成：

2．1 主电路

它的形式为DC／AC逆变电路。输入电压为DC600V，经输入接触器、预充电电路、支撑电容供给逆变器。主开关器件选用德国SIEMENS公司的2单元IGBT模块，加上输出滤波电路构成空调逆变器。输出用隔离变压器得到三相四线电。

2．2 控制电路

N87C196MC微处理器以及少量外围芯片构成本电源控制电路，十分简洁。单片机产生三相6路SPWM信号，同时完成输入电压、输出电压、输入电流等采样，检测保护，封锁SPWM脉冲信号，保护IGBT等功能。

图1 控制电路

2．3 驱动电路

逆变器驱动电路采用日本三菱公司为驱动IGBT设计的专用集成电路M5 7962L，加少量外围元件构成。N87C196MC输出SPWM信号通过外围电路放大后直接给驱动模块，驱动模块直接驱动IGBT管，最大可驱动400AIGBT。当M57962L检测到IGBT管上C、E极电压高与8V，而且此时IGBT管开通时，持续时间大于2．5 μ s，则发出故障信号，同时封锁驱动波形，并且发出故障信号给N87C196MC，单片机产生EXTINT中断，封锁各路SPWM信号，高速关断IGBT。

 

3 软件设计

软件是整个控制系统的核心，所有的电路均为软件来服务，它决定逆变器的性能，如输出电压稳定度、输出谐波含量。

输出电压值、电流限流值均由瑞士LEM公司霍尔传感器来检测，经整理后给保护电路和N87C196MC，经N87C196MC片内A／D通道转换成数字量。输出电压给定值经运算作为稳压的依据。

4 实验结果及结论

按照上述电路制作了一台三相35kVA的空调电源。主要参数是输入为DC600V，三相输出380V／50HZ。取载波频率6kHz，无信号时间2．5 μ s。采用输出滤波(滤波电容50 μ F，电感O．6mH)后输出电压，用FLUKE电源分析仪测，总谐波含量3％，效率为97％。

实验表明，在研制空调逆变器过程中，采用了INTEL公司单片机N87C196MC后，整个控制电路只需加少量外围器件，结构紧凑，降低了成本，提高了可靠性。通过测试取得了比较理想的结果。同时，只需通过改变软件，该系统即可用于单相逆变电源，应用十分灵活，因此作者认为N87C196MC单片机在电机拖动控制领域有良好的实用价值。