以单片机为控制核心的空调逆变器设计
引言
随着国内经济的飞速发展，空调车、豪华车也进入了新的发展阶段。空调逆变器是一种新型高效无污染“绿色”能源，其应用前景非常广阔。
spwm技术是空调逆变器中主要的控制技术，要生成spwm脉冲常采用两种方法：一是由模拟电路生成；二是由单片机等数字电路生成。前者电路复杂，抗干扰性能差，有温漂现象，系统可靠性和一致性低；数字方法则利用计算机实时计算，这样系统一致性很高，没用温漂现象，同时调试工作量大大降低。intel公司推出的16位微处理器n87c196mc／md是专为电机拖动设置的低成本单片机芯片，片内集成了一个3相波形发生器wfg（wave form generator），这一外设装置大大简化了产生spwm波形的控制软件和外部硬件，完成整套控制电路十分简洁。
1 n87c1 96mc片内波形发生器简介 1．1 wfg的功能特点 n87c196mc片内wfg有3个同步的pwm模块，每个模块包含一个相位比较寄存器、一个无信号时间发生器和一对可编程的输出，即wfg可产生独立的3对6个pwm波形，它们有共同的载波频率、无信号时间和操作模式。一旦工作以后，wfg只要求单片机在改变pwm的占空比时对wg compx寄存器改变赋值即可。
wfg产生spwm波形是在下列专用寄存器的控制下完成的。
a．双向计数寄存器wg count。16位双向计数器是3对输出信号的时基发生器。它的时钟频率是振荡频率处于2，每个状态周期wg count改变一个计数值。用户可对wg reload寄存器进行写操作，而它的值周期地装入到计数器中。
b．重装载寄存器wg reload。该寄存器实际包含一对1 6位寄存器，当读或写该寄存器时，访问的是wg reload寄存器。写到wg_reload的值，被周期地（取决于操作方式）装入到第二个寄存器。这后一个寄存器叫做计数器比较寄存器，它是wg_count实际与之比较的时间寄存器。
c．相位比较寄存器wg_compx。共有3个（x=1，2，3）可读写的16位相位比较缓冲器。每一个相位比较缓冲器有一个关联的比较寄存器，它的值与每次计数后的wg_count相比较。这些寄存器不能直接被用户访问。
d．控制寄存器wg_con。wg_con是一个16位寄存器。可控制计数方式及产生3个10位无信号时间（deadtime）。利用无信号时间重装载寄存器可以随时改变无信号时间。
e．输出控制缓冲寄存器wg_out。可用于选择输出引脚的输出信号方式。可对每个引脚独立定义有效状态。
1．2 wfg的基本工作原理 a．从功能上，wfg可分为3部分：时基发生器、相位驱动通道和控制电路。
（1）时基发生器为pwm建立载波周期。该周期值取决于wg_reload的值；
（2）相位驱动通道决定pwm波形的占空比，共有3个独立的相位驱动通道，每一个通道有一对可编程输出，每个相位驱动器包含一个可编程的无信号时间发生器；
（3）控制电路包含一些用来确定工作模式和其它配置信息的寄存器。
b．时基发生器wg_count有4种工作方式。当选通波形发生器工作时，根据所选择的工作方式，作为时基发生器的wg_count连续向上计数或向上／向下计数，每次计数时，wg_count内容与计数比较寄存器wg_reload的值作比较，当二者匹配时，按所选择的工作方式产生相应操作。
我们一般选择第0种工作模式，中心对准pwm方式：
载波周期tc=（4×wg reload）／fxtal（μ s）
不考虑无信号时间，输出“有效”的时间toutput=（4×wg_compx）／fxtal（μ s）。
不考虑无信号时间，占空比=（wg compx／wg reload）×100％。
其中fxtal为xtal1引脚上晶振频率，mhz；wg compx为16位值，等于或小于wg_reload，如果大于wg_reload的值输出占空比为1。
由上式可知，wg compx值的变化，改变了pwm波的占空比。而spwm波形的产生正是由正弦规律的数据值经计算后赋给wg compx的，每一次中断都赋给wg compx一个随正弦规律变化的值，从而产生一系列脉宽不等的spwm波。
c．wfg的中断。与波形发生器有关的中断有2种：wfg中断和extint中断。wfg中断在重装载wg count时产生。方式0在wg_count=wg_reload时产生一次wfg中断，每次中断都产生一个正弦规律的脉冲波，从而形成spwm波。
extint中断由保护电路产生。可编程设置产生中断的方式是边沿触发或电平触发，当控制系统检测到过流信号，单片机自动封锁spwm波形，从而关断igbt， 来保护电力电子开关器件。
2 空调逆变器主回路 空调逆变电源主要由下列几个部分组成：
2．1 主电路 它的形式为dc／ac逆变电路。输入电压为dc600v，经输入接触器、预充电电路、支撑电容供给逆变器。主开关器件选用德国siemens公司的2单元igbt模块，加上输出滤波电路构成空调逆变器。输出用隔离变压器得到三相四线电。
2．2 控制电路 n87c196mc微处理器以及少量外围芯片构成本电源控制电路，十分简洁。单片机产生三相6路spwm信号，同时完成输入电压、输出电压、输入电流等采样，检测保护，封锁spwm脉冲信号，保护igbt等功能。
2．3 驱动电路 逆变器驱动电路采用日本三菱公司为驱动igbt设计的专用集成电路m5 7962l，加少量外围元件构成。n87c196mc输出spwm信号通过外围电路放大后直接给驱动模块，驱动模块直接驱动igbt管，最大可驱动400aigbt。当m57962l检测到igbt管上c、e极电压高与8v，而且此时igbt管开通时，持续时间大于2．5 μ s，则发出故障信号，同时封锁驱动波形，并且发出故障信号给n87c196mc，单片机产生extint中断，封锁各路spwm信号，高速关断igbt。
3 软件设计 软件是整个控制系统的核心，所有的电路均为软件来服务，它决定逆变器的性能，如输出电压稳定度、输出谐波含量。
输出电压值、电流限流值均由瑞士lem公司霍尔传感器来检测，经整理后给保护电路和n87c196mc，经n87c196mc片内a／d通道转换成数字量。输出电压给定值经运算作为稳压的依据。
4 实验结果及结论 按照上述电路制作了一台三相35kva的空调电源。主要参数是输入为dc600v，三相输出380v／50hz。取载波频率6khz，无信号时间2．5 μ s。采用输出滤波（滤波电容50 μ f，电感o．6mh）后输出电压，用fluke电源分析仪测，总谐波含量3％，效率为97％。
实验表明，在研制空调逆变器过程中，采用了intel公司单片机n87c196mc后，整个控制电路只需加少量外围器件，结构紧凑，降低了成本，提高了可靠性。通过测试取得了比较理想的结果。同时，只需通过改变软件，该系统即可用于单相逆变电源，应用十分灵活，因此作者认为n87c196mc单片机在电机拖动控制领域有良好的实用价值。
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1 n87c1 96mc片内波形发生器简介 1．1 wfg的功能特点 n87c196mc片内wfg有3个同步的pwm模块，每个模块包含一个相位比较寄存器、一个无信号时间发生器和一对可编程的输出，即wfg可产生独立的3对6个pwm波形，它们有共同的载波频率、无信号时间和操作模式。一旦工作以后，wfg只要求单片机在改变pwm的占空比时对wg compx寄存器改变赋值即可。
wfg产生spwm波形是在下列专用寄存器的控制下完成的。
a．双向计数寄存器wg count。16位双向计数器是3对输出信号的时基发生器。它的时钟频率是振荡频率处于2，每个状态周期wg count改变一个计数值。用户可对wg reload寄存器进行写操作，而它的值周期地装入到计数器中。
b．重装载寄存器wg reload。该寄存器实际包含一对1 6位寄存器，当读或写该寄存器时，访问的是wg reload寄存器。写到wg_reload的值，被周期地（取决于操作方式）装入到第二个寄存器。这后一个寄存器叫做计数器比较寄存器，它是wg_count实际与之比较的时间寄存器。
c．相位比较寄存器wg_compx。共有3个（x=1，2，3）可读写的16位相位比较缓冲器。每一个相位比较缓冲器有一个关联的比较寄存器，它的值与每次计数后的wg_count相比较。这些寄存器不能直接被用户访问。
d．控制寄存器wg_con。wg_con是一个16位寄存器。可控制计数方式及产生3个10位无信号时间（deadtime）。利用无信号时间重装载寄存器可以随时改变无信号时间。
e．输出控制缓冲寄存器wg_out。可用于选择输出引脚的输出信号方式。可对每个引脚独立定义有效状态。
1．2 wfg的基本工作原理 a．从功能上，wfg可分为3部分：时基发生器、相位驱动通道和控制电路。
（1）时基发生器为pwm建立载波周期。该周期值取决于wg_reload的值；
（2）相位驱动通道决定pwm波形的占空比，共有3个独立的相位驱动通道，每一个通道有一对可编程输出，每个相位驱动器包含一个可编程的无信号时间发生器；
（3）控制电路包含一些用来确定工作模式和其它配置信息的寄存器。
b．时基发生器wg_count有4种工作方式。当选通波形发生器工作时，根据所选择的工作方式，作为时基发生器的wg_count连续向上计数或向上／向下计数，每次计数时，wg_count内容与计数比较寄存器wg_reload的值作比较，当二者匹配时，按所选择的工作方式产生相应操作。
我们一般选择第0种工作模式，中心对准pwm方式：
载波周期tc=（4×wg reload）／fxtal（μ s）
不考虑无信号时间，输出“有效”的时间toutput=（4×wg_compx）／fxtal（μ s）。
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其中fxtal为xtal1引脚上晶振频率，mhz；wg compx为16位值，等于或小于wg_reload，如果大于wg_reload的值输出占空比为1。
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2．3 驱动电路 逆变器驱动电路采用日本三菱公司为驱动igbt设计的专用集成电路m5 7962l，加少量外围元件构成。n87c196mc输出spwm信号通过外围电路放大后直接给驱动模块，驱动模块直接驱动igbt管，最大可驱动400aigbt。当m57962l检测到igbt管上c、e极电压高与8v，而且此时igbt管开通时，持续时间大于2．5 μ s，则发出故障信号，同时封锁驱动波形，并且发出故障信号给n87c196mc，单片机产生extint中断，封锁各路spwm信号，高速关断igbt。
3 软件设计 软件是整个控制系统的核心，所有的电路均为软件来服务，它决定逆变器的性能，如输出电压稳定度、输出谐波含量。
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4 实验结果及结论 按照上述电路制作了一台三相35kva的空调电源。主要参数是输入为dc600v，三相输出380v／50hz。取载波频率6khz，无信号时间2．5 μ s。采用输出滤波（滤波电容50 μ f，电感o．6mh）后输出电压，用fluke电源分析仪测，总谐波含量3％，效率为97％。
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