中心議題：

• 單片機在空調逆變器的運用
• 空調逆變器主回路分析

解決方案：

• 采用INTEL公司的單片機N87C196MC
• 片內集成一個3相波形發生器WFG
• 軟件設計

引言

隨著國內經濟的飛速發展
，空調車、豪華車也進入了新的發展階段。空調逆變器是一種新型高效無汙染“綠色”能源，其應用前景非常廣闊。

SPWM技術是空調逆變器中主要的控製技術，要生成SPWM脈衝常采用兩種方法：一是由模擬電路生成
；二是由單片機等數字電路生成。前者電路複雜

，抗幹擾性能差，有溫漂現象，係統可靠性和一致性低；數字方法則利用計算機實時計算
，這樣係統一致性很高

，沒用溫漂現象，同時調試工作量大大降低。INTEL公司推出的16位微處理器N87C196MC／MD是專為電機拖動設置的低成本單片機芯片，片內集成了一個3相波形發生器WFG(Wave Form Generator)
，這一外設裝置大大簡化了產生SPWM波形的控製軟件和外部硬件，完成整套控製電路十分簡潔。

1 N87C1 96MC片內波形發生器簡介

1．1 WFG的功能特點

N87C196MC片內WFG有3個同步的PWM模塊，每個模塊包含一個相位比較寄存器、一個無信號時間發生器和一對可編程的輸出
，即WFG可產生獨立的3對6個PWM波形，它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作模式。一旦工作以後
，WFG隻要求單片機在改變PWM的占空比時對WG COMPX寄存器改變賦值即可。

WFG產生SPWM波形是在下列專用寄存器的控製下完成的。

a．雙向計數寄存器WG COUNT。16位雙向計數器是3對輸出信號的時基發生器。它的時鍾頻率是振蕩頻率處於2
，每個狀態周期WG COUNT改變一個計數值。用戶可對WG RELOAD寄存器進行寫操作，而它的值周期地裝入到計數器中。

b．重裝載寄存器WG RELOAD。該寄存器實際包含一對1 6位寄存器，當讀或寫該寄存器時，訪問的是WG RELOAD寄存器。寫到WG_RELOAD的值，被周期地(取決於操作方式)裝入到第二個寄存器。這後一個寄存器叫做計數器比較寄存器
，它是WG_COUNT實際與之比較的時間寄存器。

c．相位比較寄存器WG_COMPx。共有3個(X=1，2，3)可讀寫的16位相位比較緩衝器。每一個相位比較緩衝器有一個關聯的比較寄存器，它的值與每次計數後的WG_COUNT相比較。這些寄存器不能直接被用戶訪問。

d．控製寄存器WG_CON。WG_CON是一個16位寄存器。可控製計數方式及產生3個10位無信號時間(deadtime)。利用無信號時間重裝載寄存器可以隨時改變無信號時間。

e．輸出控製緩衝寄存器WG_OUT。可用於選擇輸出引腳的輸出信號方式。可對每個引腳獨立定義有效狀態。

1．2 WFG的基本工作原理

a．從功能上，WFG可分為3部分：時基發生器、相位驅動通道和控製電路。

(1)時基發生器為PWM建立載波周期。該周期值取決於WG_RELOAD的值；

(2)相位驅動通道決定PWM波形的占空比
，共有3個獨立的相位驅動通道，每一個通道有一對可編程輸出，每個相位驅動器包含一個可編程的無信號時間發生器；

(3)控製電路包含一些用來確定工作模式和其它配置信息的寄存器。

b．時基發生器WG_COUNT有4種工作方式。當選通波形發生器工作時
，根據所選擇的工作方式
，作為時基發生器的WG_COUNT連續向上計數或向上／向下計數
，每次計數時，WG_COUNT內容與計數比較寄存器WG_RELOAD的值作比較，當二者匹配時
，按所選擇的工作方式產生相應操作。

我們一般選擇第0種工作模式
，中心對準PWM方式：

載波周期Tc=(4×WG RELOAD)／Fxtal(μ s)
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不考慮無信號時間，輸出"有效"的時間Toutput=(4×WG_COMPx)／Fxtal(μ s)。

不考慮無信號時間
，占空比=(WG COMPx／WG RELOAD)×100％。

其中Fxtal為XTAL1引腳上晶振頻率，MHz

；WG COMPx為16位值，等於或小於WG_RELOAD
，如果大於WG_RELOAD的值輸出占空比為1。

由上式可知，WG COMPX值的變化，改變了PWM波的占空比。而SPWM波形的產生正是由正弦規律的數據值經計算後賦給WG COMPX的，每一次中斷都賦給WG COMPX一個隨正弦規律變化的值
，從而產生一係列脈寬不等的SPWM波。

c．WFG的中斷。與波形發生器有關的中斷有2種：WFG中斷和EXTINT中斷。WFG中斷在重裝載WG COUNT時產生。方式0在WG_COUNT=WG_RELOAD時產生一次WFG中斷
，每次中斷都產生一個正弦規律的脈衝波，從而形成SPWM波。

EXTINT中斷由保護電路產生。可編程設置產生中斷的方式是邊沿觸發或電平觸發，當控製係統檢測到過流信號
，單片機自動封鎖SPWM波形，從而關斷IGBT， 來保護電力電子開關器件。

2 空調逆變器主回路

空調逆變電源主要由下列幾個部分組成:

2．1 主電路

它的形式為DC／AC逆變電路。輸入電壓為DC600V，經輸入接觸器、預充電電路、支撐電容供給逆變器。主開關器件選用德國SIEMENS公司的2單元IGBT模塊，加上輸出濾波電路構成空調逆變器。輸出用隔離變壓器得到三相四線電。

2．2 控製電路

N87C196MC微處理器以及少量外圍芯片構成本電源控製電路，十分簡潔。單片機產生三相6路SPWM信號，同時完成輸入電壓、輸出電壓、輸入電流等采樣，檢測保護，封鎖SPWM脈衝信號
，保護IGBT等功能。
 

圖1 控製電路
 

2．3 驅動電路

逆變器驅動電路采用日本三菱公司為驅動IGBT設計的專用集成電路M5 7962L，加少量外圍元件構成。N87C196MC輸出SPWM信號通過外圍電路放大後直接給驅動模塊
，驅動模塊直接驅動IGBT管
，最大可驅動400AIGBT。當M57962L檢測到IGBT管上C、E極電壓高與8V，而且此時IGBT管開通時，持續時間大於2．5 μ s
，則發出故障信號
，同時封鎖驅動波形，並且發出故障信號給N87C196MC
，單片機產生EXTINT中斷
，封鎖各路SPWM信號，高速關斷IGBT。
 

圖2 空調逆變器驅動電路[page]

3 軟件設計

軟件是整個控製係統的核心，所有的電路均為軟件來服務
，它決定逆變器的性能
，如輸出電壓穩定度、輸出諧波含量。

輸出電壓值
、電流限流值均由瑞士LEM公司霍爾傳感器來檢測
，經整理後給保護電路和N87C196MC，經N87C196MC片內A／D通道轉換成數字量。輸出電壓給定值經運算作為穩壓的依據。

4 實驗結果及結論

按照上述電路製作了一台三相35kVA的空調電源。主要參數是輸入為DC600V，三相輸出380V／50HZ。取載波頻率6kHz，無信號時間2．5 μ s。采用輸出濾波(濾波電容50 μ F，電感O．6mH)後輸出電壓，用FLUKE電源分析儀測，總諧波含量3％

，效率為97％。

實驗表明，在研製空調逆變器過程中
，采用了INTEL公司單片機N87C196MC後(hou)
，整(zheng)個(ge)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)隻(zhi)需(xu)加(jia)少(shao)量(liang)外(wai)圍(wei)器(qi)件(jian)，結(jie)構(gou)緊(jin)湊(cou)

，降(jiang)低(di)了(le)成(cheng)本(ben)
，提(ti)高(gao)了(le)可(ke)靠(kao)性(xing)。通(tong)過(guo)測(ce)試(shi)取(qu)得(de)了(le)比(bi)較(jiao)理(li)想(xiang)的(de)結(jie)果(guo)。同(tong)時(shi)，隻(zhi)需(xu)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)軟(ruan)件(jian)，該(gai)係(xi)統(tong)即(ji)可(ke)用(yong)於(yu)單(dan)相(xiang)逆(ni)變(bian)電(dian)源(yuan)，應(ying)用(yong)十(shi)分(fen)靈(ling)活(huo)，因(yin)此(ci)作(zuo)者(zhe)認(ren)為(wei)N87C196MC單片機在電機拖動控製領域有良好的實用價值。