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80C196MC在中頻感應(yīng)電源中的應(yīng)用
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(gòu)思的硬件和軟件設(shè)計。通過對試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，證明該電路很好地實現(xiàn)了電源的掃頻式零電壓軟啟動和正常工作時槽路諧振頻率的跟蹤，而且簡單實用，啟動成功率高，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；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)線圈和補償電容器組成的，連接成并聯(lián)諧振電路。目前市場上的中頻電源，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。
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2 80C196MC微控制器簡介
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C196核心、一個三相波形發(fā)生器WFG、一個多通道A／D轉(zhuǎn)換器及其他片內(nèi)外設(shè)（如兩個定時器、一個事件處理門陣列EPA、兩個通用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程序所用。80C196MC對片內(nèi)外設(shè)的操作全部是通過存取相應(yīng)的專用寄存器（SFR）來完成的。
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個同步的PWM模塊，能產(chǎn)生3對同載波、同操作方式、等死區(qū)時間，但脈寬相互獨立的PWM波形。能以載波頻率重載脈寬等數(shù)據(jù)，并向CPU定時提出中斷申請。WFG具有4種操作方式，常用的是中心對準(zhǔn)方式0。WFG的功能配置及脈寬調(diào)制是通過設(shè)置其專用寄存器來完成的：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。逆變脈沖變頻的實現(xiàn)就是在WFG的專用寄存器中設(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
根據(jù)中頻電源的工作原理，逆變控制器的功能主要是實現(xiàn)電源的掃頻式零電壓軟啟動和正常工作時槽路諧振頻率的跟蹤。
掃頻式零電壓軟啟動是一種新型的啟動方式，其過程如下：在逆變電路啟動前，以一個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(dāng)他激信號頻率下降到接近槽路諧振頻率時，中頻電壓便建立起來。啟動成功后逆變控制電路自動跟蹤槽路諧振頻率，使設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)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(fù)到最高值，重復(fù)上述啟動過程，直至啟動成功。整個啟動過程中將直流電壓限定在較低的水平，以減小沖擊。該啟動方式無需輔助裝置，電路簡單，啟動成功率高。
槽路諧振頻率的跟蹤實現(xiàn)方法如下：通過檢測電路取出中頻電壓、中頻電流的過零點，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，降低逆變觸發(fā)信號的頻率；當(dāng)φ小于設(shè)定值時，升高逆變觸發(fā)信號的頻率。這樣就可以自動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，電路簡化，參數(shù)設(shè)定調(diào)節(jié)方便。
3.1 硬件設(shè)計
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主要有中頻電壓、中頻電流過零信號，功率自動控制部分產(chǎn)生的逆變角調(diào)節(jié)信號，啟動時的直流電壓限幅信號，啟動失敗關(guān)機信號，與其它控制設(shè)備通信信號，人機對話數(shù)據(jù)信號等。
中頻電壓過零檢測電路如圖3所示。中頻電壓由1000∶20電壓互感器從主電路取出，經(jīng)過隔離變壓器后與控制電路共地。電壓信號經(jīng)過前端低通濾波器后，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零信號，送至80C196MC的比較捕獲單元引腳CAP0。
功率自動控制部分若是模擬電路，其產(chǎn)生的逆變角調(diào)節(jié)信號可接至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)信號可通過串行通信傳至80C196MC。串行通信信號接至80C196MC的比較捕獲單元引腳CAP1及CAP2。
啟動過程中的控制信號，如直流電壓限幅信號、重復(fù)啟動時關(guān)機信號、啟動成功轉(zhuǎn)鎖頻信號均為開關(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)信號接至80C196MC的不可屏蔽中斷引腳NMI，以保證任何時候發(fā)生故障控制程序都可以及時轉(zhuǎn)入保護(hù)中斷。
控制參數(shù)的設(shè)置和顯示可以通過人機接口外接鍵盤和數(shù)碼管實現(xiàn)。
3.2 軟件設(shè)計
控制軟件根據(jù)功能可以分為三個模塊：逆變角檢測模塊、掃頻啟動模塊、頻率調(diào)節(jié)模塊。逆變角檢測模塊根據(jù)采集的中頻電壓、電流過零信號計算出實際的逆變角大小。掃頻啟動模塊按設(shè)定的參數(shù)實現(xiàn)掃頻啟動的過程。頻率調(diào)節(jié)模塊根據(jù)計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。
逆變角檢測模塊程序的流程圖如圖4所示。當(dāng)CAP1引腳捕捉到一個正跳變時產(chǎn)生CAPCOMP1中斷。中斷處理程序記錄下此時電壓過零時間、電流過零時間，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(fù)4次后計算平均值，作為實際的逆變角值，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，以實現(xiàn)零壓軟啟動。逆變觸發(fā)脈沖從最高頻率開始向下掃描，此過程中不斷檢測逆變角是否達(dá)到要求。逆變角小于設(shè)定值時，啟動成功，退出掃頻啟動模塊，轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。若逆變觸發(fā)脈沖頻率到達(dá)最小值仍未啟動成功，則根據(jù)設(shè)定的是否重復(fù)啟動，跳轉(zhuǎn)到啟動程序開始處或啟動失敗處理程序。
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)，即啟動成功后。程序不斷查詢逆變角標(biāo)志位，將計算出的逆變角度與設(shè)定值比較。逆變角偏大，說明負(fù)載容性過大，需要降低逆變頻率；逆變角偏小，說明負(fù)載容性過小，需要升高逆變頻率。調(diào)整頻率完畢后查詢是否中止工作。
4 試驗及結(jié)果
根據(jù)上述介紹設(shè)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(fù)載諧振頻率約1000Hz。啟動時電路波形如圖7、圖8所示。
在試驗中，我們發(fā)現(xiàn)，如果他激信號最高頻率設(shè)置得當(dāng)（一般為槽路諧振頻率的1.2倍），啟動成功率可達(dá)100％。
5 結(jié)語
該中頻電源啟動電路設(shè)計簡單，控制參數(shù)可由鍵盤輸入調(diào)整，能適應(yīng)不同諧振頻率負(fù)載的啟動要求，適用性強，具有良好的應(yīng)用前景。
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