基于80C196MC的可控硅中頻電源控制技術的研究

摘    要：本文針對可控硅中頻電源研制中逆變電路這一核心，提出了一種基于80C196MC單片機中頻電源控制電路，給出了該構思的硬件和軟件設計。通過對試驗結果進行分析，證明該電路很好地實現(xiàn)了電源的掃頻式零電壓軟啟動和正常工作時槽路諧振頻率的跟蹤。
關鍵詞：可控硅中頻電源；逆變電路；掃頻式零電壓軟啟動；槽路諧振頻率
引言
中頻電源多采用并聯(lián)逆變的工作方式，結構如圖1所示。其工作原理為采用三相橋式全控整流電路將交流電整流為直流電，經(jīng)電抗器平波后，成為一個恒定的直流電流源，再經(jīng)單相逆變橋，把直流電流逆變成一定頻率的單相中頻電流。負載是由感應線圈和補償電容器組成的，連接成并聯(lián)諧振電路。目前市場上的中頻電源，控制電路逆變部分采用模擬器件組成，電路復雜，控制參數(shù)無法調(diào)整，因而多為定制，通用性差。本文提出的采用Intel公司80C196MC微控制器構成逆變控制電路，較好地克服了以上弊端，簡化了電路，控制參數(shù)可以調(diào)節(jié)并顯示，大大提高了中頻電源的可靠性和通用性。
 
80C196MC微控制器概述
80C196MC微控制器具有適合于 PWM逆變器、變頻器及電機高速控制所需的許多特性。它由一個C196核心、一個三相波形發(fā)生器WFG、一個多通道ADC及其它片內(nèi)外設(如兩個定時器、一個事件處理門陣列EPA、兩個通用PWM模塊)等構成。其C196核心包含512字節(jié)的寄存器RAM，其中的絕大部分可為用戶程序所用。80C 196MC對片內(nèi)外設的操作全部是通過存取相應的專用寄存器(SFR)來完成的。
中頻電源逆變控制電路的核心任務就是跟蹤槽路的諧振頻率，不斷調(diào)整逆變脈沖的頻率。80C 196MC內(nèi)置的波形發(fā)生器使之能高效、可靠地完成逆變脈沖變頻任務。WFG具有3個同步的PWM模塊，能產(chǎn)生3對同載波、同操作方式、等死區(qū)時間但脈寬相互獨立的PWM波形。能以載波頻率重載脈寬等數(shù)據(jù)，并向CPU定時提出中斷申請。WFG具有4種操作方式，常用的是中心對準方式0。WFG的功能配置及脈寬調(diào)制是通過設置其專用寄存器來完成的：控制寄存器WG_CON定義WFG的操作方式，并設置死區(qū)時間；輸出配置寄存器WG_OUT定義WFG各引腳的有效狀態(tài)；WG_RELOAD設置三角載波頻率；相比較寄存器WG_COMPx (x=1、2、3)設置各相脈沖寬度；保護寄存器WG_PROTECT配置WFG的保護功能。逆變脈沖變頻的實現(xiàn)就是在WFG的專用寄存器中設置WG_RELOAD以產(chǎn)生合適的載波頻率。

基于80C196MC的
逆變控制器設計
根據(jù)中頻電源的工作原理，逆變控制器的功能主要是實現(xiàn)電源的掃頻式零壓軟啟動和正常工作時槽路諧振頻率的跟蹤。
硬件設計
硬件電路總體結構如圖2所示。根據(jù)功能要求，控制器的輸入/輸出信號主要有中頻電壓、中頻電流過零信號、功率自動控制部分產(chǎn)生的逆變角調(diào)節(jié)信號、啟動時的直流電壓限幅信號、啟動失敗關機信號、與其它控制設備通信信號以及人機對話數(shù)據(jù)信號等。
中頻電壓過零檢測電路如圖3所示。中頻電壓由1000:20電壓互感器從主電路取出，經(jīng)過隔離變壓器后與控制電路共地。電壓信號經(jīng)過前端低通濾波器濾波后，送至電壓比較器LM339，與零電平比較，產(chǎn)生表示中頻電壓過零的方波信號。信號再經(jīng)濾波、放大后送至80C196MC的比較捕獲單元引腳CAP1。
由于逆變可控硅的開關就是導通或關斷直流電流，形成負載上的中頻電流。因此逆變可控硅的觸發(fā)信號即是與中頻電流同相位。直接取單片機發(fā)出的逆變觸發(fā)信號作為中頻電流過零信號，送至80C196MC的比較捕獲單元引腳CAP0。
功率自動控制部分若是模擬電路，其產(chǎn)生的逆變角調(diào)節(jié)信號可接至80C196MC的A/D轉換輸入引腳ACH0。80C196MC自帶的A/D轉換模塊將其轉換后可得出調(diào)節(jié)量。功率自動控制部分若是數(shù)字電路，其產(chǎn)生的逆變角調(diào)節(jié)信號可通過串行通信傳至80C196MC。串行通信信號接至80C196MC的比較捕獲單元引腳CAP1、CAP2。
啟動過程中的控制信號，如直流電壓限幅信號、重復啟動時關機信號、啟動成功轉鎖頻信號均為開關量，可接至80C196MC的I/O口P0.1、P0.2和P6.4。發(fā)生故障的保護信號接至80C196MC的不可屏蔽中斷引腳NMI，以保證任何時候發(fā)生故障控制程序都可以及時轉入保護中斷。
控制參數(shù)的設置和顯示可以通過人機接口外接鍵盤和數(shù)碼管實現(xiàn)。
軟件設計
控制軟件根據(jù)功能可以分為三個模塊：逆變角檢測模塊、掃頻啟動模塊和頻率調(diào)節(jié)模塊。逆變角檢測模塊根據(jù)采集的中頻電壓、電流過零信號計算出實際的逆變角大小。掃頻啟動模塊按設定的參數(shù)實現(xiàn)掃頻啟動的過程。頻率調(diào)節(jié)模塊根據(jù)計算出的逆變角大小和設定值比較，調(diào)整逆變頻率的高低。
逆變角檢測模塊程序的流程如圖4所示。當CAP1引腳捕捉到一個正跳變時產(chǎn)生CAPCOMP1中斷。中斷處理程序記錄下此時電壓過零時間、電流過零時間，并計算判斷電壓周期是否大致等于電流周期，以防止干擾信號。計算電壓/電流的相位差，即逆變角。重復4次后計算平均值，作為實際的逆變角值，并將逆變角標志位置位，以供其它程序模塊調(diào)用。
初始化后先關閉整流再限制整流角，以實現(xiàn)零壓軟啟動。逆變觸發(fā)脈沖從最高頻率開始向下掃描，此過程中不斷檢測逆變角是否達到要求。逆變角小于設定值時，啟動成功，退出掃頻啟動模塊，轉入正常工作狀態(tài)。若逆變觸發(fā)脈沖頻率到達最小值仍未啟動成功，則根據(jù)設定的是否重復啟動，跳轉到啟動程序開始處或啟動失敗處理程序。
頻率調(diào)節(jié)模塊工作在正常狀態(tài)，即啟動成功后，程序不斷查詢逆變角標志位，將計算出的逆變角度與設定值比較。逆變角偏大，說明負載容性過大，需要降低逆變頻率；逆變角偏小，說明負載容性過小，需要升高逆變頻率。調(diào)整頻率完畢后查詢是否中止工作。
                           
試驗及結果
根據(jù)上述設計制作了一臺中頻電源試驗機，作為鋼管焊接的配套電源，輸入額定電壓380V，電流200A，輸出電壓750V，負載諧振頻率約1000Hz。啟動時電路波形如圖5、圖6所示。
在試驗中發(fā)現(xiàn)，如果它激信號最高頻率設置得當(一般為槽路諧振頻率的1.2倍)，啟動成功率可達100%。

結語
該中頻電源啟動電路設計簡單，控制參數(shù)可由鍵盤輸入調(diào)整，能適應不同諧振頻率負載的啟動要求，適用性強，具有良好的應用前景。■

參考文獻
1 林渭勛. 可控硅中頻電源. 機械工業(yè)出版社，1983
2 黃駿. 電力電子變流技術. 機械工業(yè)出版社，1999
3 Intel 8xC196MC 8xC196MD 8xC196MH microcontroller user’s manual.