87C196MC与IPM模块组成的变频调速系统.wps

1、87C196MC 与 IPM 模块组成的变频调速系统 摘要：介绍一种基于 87C196MC 单片机及 IPM 的 SPWM 变频调速系统，给出系统硬件配置和软件设计。实验结果表明，系统运行稳定，具有良好的动、静态性能。关键词：变频调速 单片机 87C196MC IPM随着大功率开关器件制造技术和计算机技术的迅猛发展，交流电机的变频调速在一般工业领域以至许多民用领域中已得到广泛应用。在节能、减少维修、提高产品产量及产品质量等方面都取得了明显的经济效益。目前，高性能交流调速系统的研究和开发已引起各国学者的高度重视，而所用微处理器、功率器件及产生 SPWM 波的方法是影响变频器性能好坏的直接因素。1

2、 系统硬件电路设计1.1 87C196MC 及 IPM 简介87C196MC 是 Intel 公司专门为三相异步电动机和直流无刷电动机控制而设计的 16 位单片机。它由 C196 内核、8KB EPROM、三相波形发生器 WFG、A/D 转换器、事件处理门阵列EPA、定时器和脉宽调制单元等组成。其中，三相波形发生器 WFG 是 87C196MC 的一大特色。WFG 可以通过 P6 口直接输出用于逆变器驱动的 6 路 SPWM 信号，每个引脚的驱动电流可达 20mA，在使用 16MHz 时，驱动信号的频率可达 8MHz。为防止同一桥臂上 2 个功率管发生直通造成短路，该发生器还可通过编程设置死区

3、互销时间，在 16MHz 晶振时，死区时间范围为 0.125125s 之间。一旦启动，WFG 只要 CPU 在改变 PWM 波的占空比时加以干涉，大大减少了 CPU 的开销。三相波形发生器 WFG 的存在大大简化了用于产生 PWM波形的软件和硬件，使系统得以大大简化。智能功率模块 IPM 已经被广泛应用在变频器、数控机库、工业机器人等电能转换设备中。带有 IGBT 驱动电路和自诊断、保护功能完善的 IPM 的使用，使得电能转换设备体积更小、更可靠、更具智能化。本系统所选用的功率器件为 7MBP50RA120。它内部含有组成1 个三相 H 桥（逆变桥）和 1 个制动单元的 7 个 IGBT 和

4、7 个快速功率二极管，并且含有相应的驱动电路。另外它的保护功能相当完善，内含过电流保护（OC）、短路保护（SC）、驱动电源欠电压保护（UV）、过热保护（OH）、报警输出（ALM）等。7MBP50RA120 是富士电机推出的第 4 代 R-系列智能功率模块 IPM，它克服了在传统的 IGBT-IPM 中，当工作温度迅速上升时 IPM 可能被击穿（这种击穿发生是因为提供温度保护的温控器安装在 IGBT芯片的绝缘基板上）以及有时由于寄生电容或控制电路产生的寄生电感而引起的噪声使IGBT 产生误动作的缺点，并且该系列的 IPM 所使用的元件数量比传统的 IPM 少得多（仅为 5%），可靠性得到很大提高

5、。1.2 硬件电路系统硬件电路采用交-直-交变频方式，如图 1 所示。三相工频电压经速流桥 6RI30G-160 整流后，再经 2 个电容器 HCGF5A2W222Y 平滑滤波后送至 IPM 模块 7MBP50RA120 的主电流输入端口 P、N 端。16 位的 87C196MC 通过计算查表把存储在片内 EPROM 中的正弦波数据送至 97C196MC的波形发生器。波形发生器产生的三相互补的 SPWM 信号经 WFG1WFG3 端输出、再经光耦隔离后送至 IPM 的驱动信号输入端 VinU、VinV、VinW（上桥臂）和 VinX、VinY、VinZ(下桥臂)。8 个按键：功能键 FUN、显

6、示键 DISPLAY、设定键 SET、移位键 MOVE、启动/停止键 RUN/STOPS、正转/反转键 FWD/REV、2 个增减键（）和（）直接与 87C196MC的 P0 口相连。显示驱动芯片采用 ICM7218B。频率给定电位器直接与 P1.4/ACH12 相连，用于手动给定设置频率。当设置频率给定为数字给定方式时，手动调节电位器给定不起作用。当 IPM 内部的故障检测电路检测到有故障时，其故障输出端 ALM 立即发出故障信号，此信号和调速系统控制保护电路中的其它过流、过压、欠压等故障信号一起经逻辑电路送至87C196MC 的 EXTINT 端，以便 87C196MC 及时实施对 IPM

7、 驱动电路的封锁，保护 IPM 及其它电路不致损坏，并且在 LED 显示器上显示其故障来源。87C196MC 的 P6.6 用于控制IPM 的制动单元，以保证主电路的直流电压不致过高。2 系统软件设计系统软件由主程序、故障中断子程序、显示子程序、键盘服务程序、捕获/比较模块 2 中断、捕获/比较模块 3 中断、WFG 中断、A/D 采样中断子程序等构成。主程序中主要完成系统的初始化、并根据显示模块计算要显示的数据并送出显示、键盘扫描及服务处理、输入数据的码制变换等等；故障中断子程序中视故障性质完成自处理或故障报警、封锁触发脉冲、跳闸等；捕获/比较模块 2 作为软件定时器完成 20ms 的定时，

8、作为键盘去抖动和盘管理的定时（如设定参数时，5s 内不按下任何按键则认为设定该参数完毕等）；捕获/比较模块 3 作为软件定时器实现 1ms 的定时，用于完成实际调制频率 fop 的计算及触发 A/D 采样，其中框图中的 fmin、fop、fset、fmax 分别为系统最低调制频率、实际调制频率、给定调制频率及允许的最大频率变化量；WFG 中断程序中，根据 fop 查 V/F 表，计算相位比较寄存器WG_COMPX 的值。本系统中，调制方式采用异步调制，即载波频率 fc=4.8kHz 不变。为计算方便，建立的正弦函数表中数据的最大值 sin90的值为 2 13，V/F 表（即调制深度系数 m值）

9、中数据的最大值为 4172 3。图 2 给出捕获/比较模块 3 中断子程序框图，图 3 给出 WFG中断子程序框图。在图 3 中，u、v、w 分别为 U 相、V 相、W 相调制正弦波的相位，U_TEMP、V_TEMP、W_TEMP 的 3 个临时变量，它们的数值在该子程序后面最终被装入波形发生器的三个相位比较缓冲器 WG_COMP1、WG_COMP2 和 WG_COMP3 之中。WG_RELOAD 为重装载寄存器，其值在每次产生 WFG 中断时自动装入计数器比较寄存器。step 为当前调制频率下相邻 2 个 WFG 中断的时间间隔所对应的正弦波角度，由于在下次 WFG 中断产生时硬件自动将本次

10、计算的相位比较缓冲器 WG_COMPX 值装入相应的相位比较寄存器，使WFG 产生双极型 SPWM 波（WFG 工作于工作方式 0），因此在查正弦表时，U、V、W 某一相的相位指针应该对应加上与 step 相对应的 n 个数据。3 实验结果及结论根据上述的软硬件设计方案，设计了一个变频调速系统，被控对象为上海南洋电机厂生产的变频调速电机 YT8P1326-4，额定功率为 5.5kW，其负载电流波形如图 4 所示。实验结果表明：系统软、硬件设计合理，具有良好的静态和动态性能。这说明 87C196MC 单片机与 IPM在变频器应用方面具有一定的优势，能给变频器的软硬件设计带来极大的方便。(本文转自电子工程世界：http:/