基于80C196MC的可控硅中频电源控制技术的研究

摘 要：本文针对可控硅中频电源研制中逆变电路这一，提出了一种基于80C196MC单片机中频电源控制电路，给出了该构思的硬件和软件设计。通过对试验结果进行分析，证明该电路很好地实现了电源的扫频式零电压软启动和正常工作时槽路谐振频率的跟踪。
关键词：可控硅中频电源；逆变电路；扫频式零电压软启动；槽路谐振频率
引言
中频电源多采用并联逆变的工作方式，结构如图1所示。其工作原理为采用三相桥式全控整流电路将交流电整流为直流电，经电抗器平波后，成为一个恒定的直流电流源，再经单相逆变桥，把直流电流逆变成一定频率的单相中频电流。负载是由感应线圈和补偿电容器组成的，连接成并联谐振电路。目前市场上的中频电源，控制电路逆变部分采用模拟器件组成，电路复杂，控制参数无法调整，因而多为定制，通用性差。本文提出的采用Intel公司80C196MC微控制器构成逆变控制电路，较好地克服了以上弊端，简化了电路，控制参数可以调节并显示，大大提高了中频电源的可靠性和通用性。

80C196MC微控制器概述
80C196MC微控制器具有适合于 PWM逆变器、变频器及电机高速控制所需的许多特性。它由一个C196、一个三相波形发生器WFG、一个多通道ADC及其它片内外设(如两个定时器、一个事件处理门阵列EPA、两个通用PWM模块)等构成。其C196包含512字节的寄存器RAM，其中的绝大部分可为用户程序所用。80C 196MC对片内外设的操作全部是通过存取相应的专用寄存器(SFR)来完成的。
中频电源逆变控制电路的任务就是跟踪槽路的谐振频率，不断调整逆变脉冲的频率。80C 196MC内置的波形发生器使之能高效、可靠地完成逆变脉冲变频任务。WFG具有3个同步的PWM模块，能产生3对同载波、同操作方式、等死区时间但脉宽相互独立的PWM波形。能以载波频率重载脉宽等数据，并向CPU定时提出中断申请。WFG具有4种操作方式，常用的是中心对准方式0。WFG的功能配置及脉宽调制是通过设置其专用寄存器来完成的：控制寄存器WG_CON定义WFG的操作方式，并设置死区时间；输出配置寄存器WG_OUT定义WFG各引脚的有效状态；WG_RELOAD设置三角载波频率；相比较寄存器WG_COMPx (x=1、2、3)设置各相脉冲宽度；保护寄存器WG_PROTECT配置WFG的保护功能。逆变脉冲变频的实现就是在WFG的专用寄存器中设置WG_RELOAD以产生合适的载波频率。

基于80C196MC的
逆变控制器设计
根据中频电源的工作原理，逆变控制器的功能主要是实现电源的扫频式零压软启动和正常工作时槽路谐振频率的跟踪。
硬件设计
硬件电路总体结构如图2所示。根据功能要求，控制器的输入/输出信号主要有中频电压、中频电流过零信号、功率自动控制部分产生的逆变角调节信号、启动时的直流电压限幅信号、启动失败关机信号、与其它控制设备通信信号以及人机对话数据信号等。
中频电压过零检测电路如图3所示。中频电压由1000:20电压互感器从主电路取出，经过隔离变压器后与控制电路共地。电压信号经过前端低通滤波器滤波后，送至电压比较器LM339，与零电平比较，产生表示中频电压过零的方波信号。信号再经滤波、放大后送至80C196MC的比较捕获单元引脚CAP1。
由于逆变可控硅的开关就是导通或关断直流电流，形成负载上的中频电流。因此逆变可控硅的触发信号即是与中频电流同相位。直接取单片机发出的逆变触发信号作为中频电流过零信号，送至80C196MC的比较捕获单元引脚CAP0。
功率自动控制部分若是模拟电路，其产生的逆变角调节信号可接至80C196MC的A/D转换输入引脚ACH0。80C196MC自带的A/D转换模块将其转换后可得出调节量。功率自动控制部分若是数字电路，其产生的逆变角调节信号可通过串行通信传至80C196MC。串行通信信号接至80C196MC的比较捕获单元引脚CAP1、CAP2。
启动过程中的控制信号，如直流电压限幅信号、重复启动时关机信号、启动成功转锁频信号均为开关量，可接至80C196MC的I/O口P0.1、P0.2和P6.4。发生故障的保护信号接至80C196MC的不可屏蔽中断引脚NMI，以保证任何时候发生故障控制程序都可以及时转入保护中断。
控制参数的设置和显示可以通过人机接口外接键盘和数码管实现。
软件设计
控制软件根据功能可以分为三个模块：逆变角检测模块、扫频启动模块和频率调节模块。逆变角检测模块根据采集的中频电压、电流过零信号计算出实际的逆变角大小。扫频启动模块按设定的参数实现扫频启动的过程。频率调节模块根据计算出的逆变角大小和设定值比较，调整逆变频率的高低。
逆变角检测模块程序的流程如图4所示。当CAP1引脚捕捉到一个正跳变时产生CAPCOMP1中断。中断处理程序记录下此时电压过零时间、电流过零时间，并计算判断电压周期是否大致等于电流周期，以防止干扰信号。计算电压/电流的相位差，即逆变角。重复4次后计算平均值，作为实际的逆变角值，并将逆变角标志位置位，以供其它程序模块调用。
初始化后先关闭整流再限制整流角，以实现零压软启动。逆变触发脉冲从频率开始向下扫描，此过程中不断检测逆变角是否达到要求。逆变角小于设定值时，启动成功，退出扫频启动模块，转入正常工作状态。若逆变触发脉冲频率到达值仍未启动成功，则根据设定的是否重复启动，跳转到启动程序开始处或启动失败处理程序。
频率调节模块工作在正常状态，即启动成功后，程序不断查询逆变角标志位，将计算出的逆变角度与设定值比较。逆变角偏大，说明负载容性过大，需要降低逆变频率；逆变角偏小，说明负载容性过小，需要升高逆变频率。调整频率完毕后查询是否中止工作。

试验及结果
根据上述设计制作了一台中频电源试验机，作为钢管焊接的配套电源，输入额定电压380V，电流200A，输出电压750V，负载谐振频率约1000Hz。启动时电路波形如图5、图6所示。
在试验中发现，如果它激信号频率设置得当(一般为槽路谐振频率的1.2倍)，启动成功率可达100%。

结语
该中频电源启动电路设计简单，控制参数可由键盘输入调整，能适应不同谐振频率负载的启动要求，适用性强，具有良好的应用前景。■

参考文献
1 林渭勋. 可控硅中频电源. 机械工业出版社，1983
2 黄骏. 电力电子变流技术. 机械工业出版社，1999
3 Intel 8xC196MC 8xC196MD 8xC196MH microcontroller user’s manual.
4 80C196MC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/80C196MC_1096609.html.
5 LM339 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM339_1060635.html.