80C196MC在中頻感應電源中的應用
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摘要：針對晶閘管中頻電源，提出了一種基于80C196MC的逆變控制電路，給出了該構思的硬件和軟件設計。通過(guò)對試驗結果進(jìn)行了分析，證明該電路很好地實(shí)現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(zhù)工業(yè)的發(fā)展，中頻電源的應用也日益廣泛，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(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。負載是由感應線(xiàn)圈和補償電容器組成的，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，電路復雜，控制參數難以調整，因而通用性差。本文采用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(jiǎn)化了電路，控制參數可以調節并顯示，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轉換器及其他片內外設（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）等構成。其C196核心包含512字節的寄存器RAM，其中的絕大部分可為用戶(hù)程序所用。80C196MC對片內外設的操作全部是通過(guò)存取相應的專(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，不斷地調整逆變脈沖的頻率。80C196MC內置的波形發(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對同載波、同操作方式、等死區時(shí)間，但脈寬相互獨立的PWM波形。能以載波頻率重載脈寬等數據，并向CPU定時(shí)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制是通過(guò)設置其專(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，并設置死區時(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(shí)現就是在WFG的專(zhuān)用寄存器中設置WG_RELOAD以產(chǎn)生合適的載波頻率。
圖3
3 基于80C196MC的逆變控制器設計
根據中頻電源的工作原理，逆變控制器的功能主要是實(shí)現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從高向低掃描，去觸發(fā)逆變晶閘管。當他激信號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，使設備進(jìn)入穩態(tài)運行。如果他激信號頻率下降至最低，中頻電壓仍未建立，則他激信號恢復到最高值，重復上述啟動(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)現方法如下：通過(guò)檢測電路取出中頻電壓、中頻電流的過(guò)零點(diǎn)，比較得出二者的相位差，即負載的阻抗角φ。當φ大于設定值時(shí)，降低逆變觸發(fā)信號的頻率；當φ小于設定值時(shí)，升高逆變觸發(fā)信號的頻率。這樣就可以自動(dòng)跟蹤槽路阻抗特性的改變，從而保證負載一直工作在接近諧振狀態(tài)。由于采用了數字電路，系統的抗干擾性增強，電路簡(jiǎn)化，參數設定調節方便。
3.1 硬件設計
硬件電路總體結構如圖2所示。根據功能要求，控制器的輸入輸出信號主要有中頻電壓、中頻電流過(guò)零信號，功率自動(dòng)控制部分產(chǎn)生的逆變角調節信號，啟動(dòng)時(shí)的直流電壓限幅信號，啟動(dòng)失敗關(guān)機信號，與其它控制設備通信信號，人機對話(huà)數據信號等。
中頻電壓過(guò)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(guò)隔離變壓器后與控制電路共地。電壓信號經(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，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，形成負載上的中頻電流。因此，逆變晶閘管的觸發(fā)信號與中頻電流同相位。直接取單片機發(fā)出的逆變觸發(fā)信號作為中頻電流過(guò)零信號，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)生的逆變角調節信號可接至80C196MC的A/D轉換輸入引腳ACH0。80C196MC的自帶的A/D轉換模塊將其轉換后可得出調節量。功率自動(dòng)控制部分若是數字電路，其產(chǎn)生的逆變角調節信號可通過(guò)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及CAP2。
啟動(dòng)過(guò)程中的控制信號，如直流電壓限幅信號、重復啟動(dòng)時(shí)關(guān)機信號、啟動(dòng)成功轉鎖頻信號均為開(kāi)關(guān)量，可接至80C196MC的I/O口P0.1，P0.2和P6.4。發(fā)生故障的保護信號接至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)轉入保護中斷。
控制參數的設置和顯示可以通過(guò)人機接口外接鍵盤(pán)和數碼管實(shí)現。
3.2 軟件設計
控制軟件根據功能可以分為三個(gè)模塊：逆變角檢測模塊、掃頻啟動(dòng)模塊、頻率調節模塊。逆變角檢測模塊根據采集的中頻電壓、電流過(guò)零信號計算出實(shí)際的逆變角大小。掃頻啟動(dòng)模塊按設定的參數實(shí)現掃頻啟動(dòng)的過(guò)程。頻率調節模塊根據計算出的逆變角大小和設定值比較，調整逆變頻率的高低。
逆變角檢測模塊程序的流程圖如圖4所示。當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(shí)際的逆變角值，并將逆變角標志位置位，以供其他程序模塊調用。
頻率調節模塊程序的流程圖如圖6所示。頻率調節模塊工作在正常狀態(tài)，即啟動(dòng)成功后。程序不斷查詢(xún)逆變角標志位，將計算出的逆變角度與設定值比較。逆變角偏大，說(shuō)明負載容性過(guò)大，需要降低逆變頻率；逆變角偏小，說(shuō)明負載容性過(guò)小，需要升高逆變頻率。調整頻率完畢后查詢(xún)是否中止工作。
4 試驗及結果
根據上述介紹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380V，電流200A，輸出電壓750V，負載諧振頻率約1000Hz。啟動(dòng)時(shí)電路波形如圖7、圖8所示。
在試驗中，我們發(fā)現，如果他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(dòng)成功率可達100％。
5 結語(yǔ)
該中頻電源啟動(dòng)電路設計簡(jiǎn)單，控制參數可由鍵盤(pán)輸入調整，能適應不同諧振頻率負載的啟動(dòng)要求，適用性強，具有良好的應用前景。
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