80C196MC在中頻感應(yīng)電源中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)晶閘管中頻電源，提出了一種基于80C196MC的逆變控制電路，給出了該構(gòu)思的硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，證明該電路很好地實(shí)現(xiàn)了電源的掃頻式零電壓軟啟動(dòng)和正常工作時(shí)槽路諧振頻率的跟蹤，而且簡(jiǎn)單實(shí)用，啟動(dòng)成功率高，可靠性和通用性得到改善。

關(guān)鍵詞：晶閘管中頻電源；逆變電路；微控制器；掃頻式零壓軟啟動(dòng)；槽路諧振頻率

1 概述

隨著工業(yè)的發(fā)展，中頻電源的應(yīng)用也日益廣泛，如在金屬熔煉、透熱、熱處理、焊接等方面，其工作方式多采用并聯(lián)逆變，結(jié)構(gòu)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(gè)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(fù)載是由感應(yīng)線圈和補(bǔ)償電容器組成的，連接成并聯(lián)諧振電路。目前市場(chǎng)上的中頻電源，其逆變部分控制電路多采用模擬元器件，電路復(fù)雜，控制參數(shù)難以調(diào)整，因而通用性差。本文采用Intel公司80C196MC微控制器構(gòu)成逆變控制電路，較好地克服了以上弊端，簡(jiǎn)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。

2 80C196MC微控制器簡(jiǎn)介

80C196MC微控制器具有適合于PWM逆變器、變頻器及電機(jī)高速控制所需的許多特性。它由一個(gè)C196核心、一個(gè)三相波形發(fā)生器WFG、一個(gè)多通道A／D轉(zhuǎn)換器及其他片內(nèi)外設(shè)（如兩個(gè)定時(shí)器、一個(gè)事件處理門(mén)陣列EPA、兩個(gè)通用PWM模塊）等構(gòu)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(hù)程序所用。80C196MC對(duì)片內(nèi)外設(shè)的操作全部是通過(guò)存取相應(yīng)的專(zhuān)用寄存器（SFR）來(lái)完成的。

中頻電源逆變控制的核心任務(wù)就是跟蹤槽路的諧振頻率，不斷地調(diào)整逆變脈沖的頻率。80C196MC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(wù)。WFG具有3個(gè)同步的PWM模塊，能產(chǎn)生3對(duì)同載波、同操作方式、等死區(qū)時(shí)間，但脈寬相互獨(dú)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(shí)提出中斷申請(qǐng)。WFG具有4種操作方式，常用的是中心對(duì)準(zhǔn)方式0。WFG的功能配置及脈寬調(diào)制是通過(guò)設(shè)置其專(zhuān)用寄存器來(lái)完成的：控制寄存器WG_CON定義WFG的操作方式，并設(shè)置死區(qū)時(shí)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(shè)置三角載波頻率；相比較寄存器WG_COMPx（x=1，2，3）設(shè)置各相脈沖寬度；保護(hù)寄存器WG_PROTECT配置WFG的保護(hù)功能。逆變脈沖變頻的實(shí)現(xiàn)就是在WFG的專(zhuān)用寄存器中設(shè)置WG_RELOAD以產(chǎn)生合適的載波頻率。

圖3

3 基于80C196MC的逆變控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)中頻電源的工作原理，逆變控制器的功能主要是實(shí)現(xiàn)電源的掃頻式零電壓軟啟動(dòng)和正常工作時(shí)槽路諧振頻率的跟蹤。

掃頻式零電壓軟啟動(dòng)是一種新型的啟動(dòng)方式，其過(guò)程如下：在逆變電路啟動(dòng)前，以一個(gè)高于槽路諧振頻率的他激信號(hào)從高向低掃描，去觸發(fā)逆變晶閘管。當(dāng)他激信號(hào)頻率下降到接近槽路諧振頻率時(shí)，中頻電壓便建立起來(lái)。啟動(dòng)成功后逆變控制電路自動(dòng)跟蹤槽路諧振頻率，使設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。如果他激信號(hào)頻率下降至最低，中頻電壓仍未建立，則他激信號(hào)恢復(fù)到最高值，重復(fù)上述啟動(dòng)過(guò)程，直至啟動(dòng)成功。整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中將直流電壓限定在較低的水平，以減小沖擊。該啟動(dòng)方式無(wú)需輔助裝置，電路簡(jiǎn)單，啟動(dòng)成功率高。

槽路諧振頻率的跟蹤實(shí)現(xiàn)方法如下：通過(guò)檢測(cè)電路取出中頻電壓、中頻電流的過(guò)零點(diǎn)，比較得出二者的相位差，即負(fù)載的阻抗角φ。當(dāng)φ大于設(shè)定值時(shí)，降低逆變觸發(fā)信號(hào)的頻率；當(dāng)φ小于設(shè)定值時(shí)，升高逆變觸發(fā)信號(hào)的頻率。這樣就可以自動(dòng)跟蹤槽路阻抗特性的改變，從而保證負(fù)載一直工作在接近諧振狀態(tài)。由于采用了數(shù)字電路，系統(tǒng)的抗干擾性增強(qiáng)，電路簡(jiǎn)化，參數(shù)設(shè)定調(diào)節(jié)方便。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)功能要求，控制器的輸入輸出信號(hào)主要有中頻電壓、中頻電流過(guò)零信號(hào)，功率自動(dòng)控制部分產(chǎn)生的逆變角調(diào)節(jié)信號(hào)，啟動(dòng)時(shí)的直流電壓限幅信號(hào)，啟動(dòng)失敗關(guān)機(jī)信號(hào)，與其它控制設(shè)備通信信號(hào)，人機(jī)對(duì)話數(shù)據(jù)信號(hào)等。

中頻電壓過(guò)零檢測(cè)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(guò)隔離變壓器后與控制電路共地。電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)前端低通濾波器后，送至電壓比較器LM339，與零電平比較，產(chǎn)生表示中頻電壓過(guò)零的方波信號(hào)，再經(jīng)濾波、放大后送至80C196MC的比較捕獲單元引腳CAP1。

由于逆變晶閘管就是開(kāi)通或關(guān)斷直流電流，形成負(fù)載上的中頻電流。因此，逆變晶閘管的觸發(fā)信號(hào)與中頻電流同相位。直接取單片機(jī)發(fā)出的逆變觸發(fā)信號(hào)作為中頻電流過(guò)零信號(hào)，送至80C196MC的比較捕獲單元引腳CAP0。

功率自動(dòng)控制部分若是模擬電路，其產(chǎn)生的逆變角調(diào)節(jié)信號(hào)可接至80C196MC的A/D轉(zhuǎn)換輸入引腳ACH0。80C196MC的自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換后可得出調(diào)節(jié)量。功率自動(dòng)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(hào)可通過(guò)串行通信傳至80C196MC。串行通信信號(hào)接至80C196MC的比較捕獲單元引腳CAP1及CAP2。

啟動(dòng)過(guò)程中的控制信號(hào)，如直流電壓限幅信號(hào)、重復(fù)啟動(dòng)時(shí)關(guān)機(jī)信號(hào)、啟動(dòng)成功轉(zhuǎn)鎖頻信號(hào)均為開(kāi)關(guān)量，可接至80C196MC的I/O口P0.1，P0.2和P6.4。發(fā)生故障的保護(hù)信號(hào)接至80C196MC的不可屏蔽中斷引腳NMI，以保證任何時(shí)候發(fā)生故障控制程序都可以及時(shí)轉(zhuǎn)入保護(hù)中斷。

控制參數(shù)的設(shè)置和顯示可以通過(guò)人機(jī)接口外接鍵盤(pán)和數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

控制軟件根據(jù)功能可以分為三個(gè)模塊：逆變角檢測(cè)模塊、掃頻啟動(dòng)模塊、頻率調(diào)節(jié)模塊。逆變角檢測(cè)模塊根據(jù)采集的中頻電壓、電流過(guò)零信號(hào)計(jì)算出實(shí)際的逆變角大小。掃頻啟動(dòng)模塊按設(shè)定的參數(shù)實(shí)現(xiàn)掃頻啟動(dòng)的過(guò)程。頻率調(diào)節(jié)模塊根據(jù)計(jì)算出的逆變角大小和設(shè)定值比較，調(diào)整逆變頻率的高低。

逆變角檢測(cè)模塊程序的流程圖如圖4所示。當(dāng)CAP1引腳捕捉到一個(gè)正跳變時(shí)產(chǎn)生CAPCOMP1中斷。中斷處理程序記錄下此時(shí)電壓過(guò)零時(shí)間、電流過(guò)零時(shí)間，并計(jì)算判斷電壓周期是否大致等于電流周期，以防止干擾信號(hào)。計(jì)算電壓電流的相位差，即逆變角。重復(fù)4次后計(jì)算平均值，作為實(shí)際的逆變角值，并將逆變角標(biāo)志位置位，以供其他程序模塊調(diào)用。

掃頻啟動(dòng)模塊程序的流程圖如圖5所示。初始化后先關(guān)閉整流再限制整流角，以實(shí)現(xiàn)零壓軟啟動(dòng)。逆變觸發(fā)脈沖從最高頻率開(kāi)始向下掃描，此過(guò)程中不斷檢測(cè)逆變角是否達(dá)到要求。逆變角小于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)成功，退出掃頻啟動(dòng)模塊，轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。若逆變觸發(fā)脈沖頻率到達(dá)最小值仍未啟動(dòng)成功，則根據(jù)設(shè)定的是否重復(fù)啟動(dòng)，跳轉(zhuǎn)到啟動(dòng)程序開(kāi)始處或啟動(dòng)失敗處理程序。

頻率調(diào)節(jié)模塊程序的流程圖如圖6所示。頻率調(diào)節(jié)模塊工作在正常狀態(tài)，即啟動(dòng)成功后。程序不斷查詢(xún)逆變角標(biāo)志位，將計(jì)算出的逆變角度與設(shè)定值比較。逆變角偏大，說(shuō)明負(fù)載容性過(guò)大，需要降低逆變頻率；逆變角偏小，說(shuō)明負(fù)載容性過(guò)小，需要升高逆變頻率。調(diào)整頻率完畢后查詢(xún)是否中止工作。

4 試驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)上述介紹設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)中頻電源試驗(yàn)機(jī)，作為鋼管焊接的配套電源，輸入額定電380V，電流200A，輸出電壓750V，負(fù)載諧振頻率約1000Hz。啟動(dòng)時(shí)電路波形如圖7、圖8所示。

在試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，如果他激信號(hào)最高頻率設(shè)置得當(dāng)（一般為槽路諧振頻率的1.2倍），啟動(dòng)成功率可達(dá)100％。

5 結(jié)語(yǔ)

該中頻電源啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制參數(shù)可由鍵盤(pán)輸入調(diào)整，能適應(yīng)不同諧振頻率負(fù)載的啟動(dòng)要求，適用性強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。