1 引言

在國(guó)內(nèi)外，數(shù)字移相主要有兩種形式:一種是先將正弦波信號(hào)數(shù)字化，并形成一張數(shù)據(jù)表存入rom芯片中，此后可通過(guò)2片d/a轉(zhuǎn)換芯片在單片機(jī)的控制下連續(xù)地循環(huán)輸出該數(shù)據(jù)表，就可獲得兩路正弦波信號(hào)，當(dāng)兩片d/a轉(zhuǎn)換芯片所獲得的數(shù)據(jù)序列完全相同時(shí)，則轉(zhuǎn)換所得到的兩路正弦波信號(hào)無(wú)相位差，稱(chēng)為同相。當(dāng)2片d/a轉(zhuǎn)換芯片所獲得的數(shù)據(jù)序列不同時(shí)，則轉(zhuǎn)換所得到的兩路正弦波信號(hào)就存在著相位差。相位差的值與數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)及數(shù)據(jù)地址的偏移量有關(guān)。這種處理方式的實(shí)質(zhì)是將數(shù)據(jù)地址的偏移量映射為信號(hào)間的相位值。
另一種是先將參考信號(hào)整形為方波信號(hào)，并以此信號(hào)為基準(zhǔn)，延時(shí)產(chǎn)生另一個(gè)同頻的方波信號(hào)，再通過(guò)波形變換電路將方波信號(hào)還原成正弦波信號(hào)。以延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)決定兩信號(hào)間的相位值。這種處理方式的實(shí)質(zhì)是將延時(shí)的時(shí)間映射為信號(hào)間的相位值。
以d/a轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)的移相，雖然所用元件少，但輸出信號(hào)的頻率難以細(xì)調(diào)，特別是移相的最小單位太大。在50hz頻率下，要達(dá)到0.10/步移相精度難以辦到。因此，該方式只適合于對(duì)頻率要求不高，且移相角度固定的場(chǎng)合。以延時(shí)輸出方波的方式實(shí)現(xiàn)的移相，其硬件電路比較復(fù)雜(鎖相及波形變換電路)。輸出信號(hào)的頻率以參考信號(hào)的頻率為準(zhǔn)，而參考信號(hào)的頻率則可以精確給定。移相的最小單位可小于0.1°/步，這就為無(wú)級(jí)移相提供了基礎(chǔ)。因此，該方式可用于對(duì)頻率要求高，且需3600無(wú)級(jí)移相的場(chǎng)合。本課題將設(shè)計(jì)一種相位、電壓幅度都可控制的數(shù)字移相器。先用80c196mc產(chǎn)生spwm，通過(guò)六個(gè)高速光耦發(fā)送到驅(qū)動(dòng)板上的ipm實(shí)現(xiàn)模塊的調(diào)壓及移相。通過(guò)串口通信，正弦波的相位、電壓幅度由上位機(jī)給定。

2 控制電路的設(shè)計(jì)及程序的設(shè)計(jì)
2.1 控制電路的設(shè)計(jì)

控制電路主要完成spwm波形的產(chǎn)生、實(shí)際移相值的測(cè)量、與上位機(jī)的通訊等功能。
(1) 外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
系統(tǒng)采用了16位總線(xiàn)方式，擴(kuò)展2片程序存儲(chǔ)器27128。74ls138的輸入為地址總線(xiàn)的高3位:a15、a14、a13，其輸出、、通過(guò)三輸入與門(mén)74ls11連接到兩片存儲(chǔ)器的端，因而2片存儲(chǔ)器的地址是2000h～7fffh，接至存儲(chǔ)器的輸出選通端。程序的偶字節(jié)在u2中，奇字節(jié)在u3中，存儲(chǔ)器的最低8k沒(méi)有使用。電路圖略。
單片機(jī)可以按字或字節(jié)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器，但在讀外存時(shí)，把16位數(shù)據(jù)同時(shí)取入存儲(chǔ)器控制器，在控制器內(nèi)部根據(jù)情況選取一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字，把不用的部分舍棄。信號(hào)同時(shí)選通高位字節(jié)和低位字節(jié)，而a0不與存儲(chǔ)器相連。
(2) 基準(zhǔn)電壓、輸出電壓與80c196mc的連接
80c196mc需要檢測(cè)基準(zhǔn)電壓(220vac)和輸出電壓的過(guò)零點(diǎn)，以準(zhǔn)確延時(shí)形成移相，或是構(gòu)成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)比較精確的移相控制。電路圖如圖1所示。

圖1 基準(zhǔn)電壓、輸出電壓與80c196mc的連接電路圖

lm393是電壓比較器，其片內(nèi)有2個(gè)相同的電壓比較模塊，輸出電壓經(jīng)過(guò)2個(gè)反并聯(lián)的二極管in4148限幅后輸入lm393，是lm393的輸入電壓箝位在±0.7v左右，lm393的輸出連接到80c196mc的68、65腳的2個(gè)捕獲/比較模塊的外部引腳上。lm393的輸出需要連接10kω的上拉電阻。

圖2 80c196mc的串行通信電路圖

(3) 80c196mc與上位機(jī)的串行通信
80c196mc沒(méi)有硬件通用異步收發(fā)器uart，利用專(zhuān)門(mén)的pts模式可以實(shí)現(xiàn)串行輸入和串行輸出功能，既可實(shí)現(xiàn)異步sio(asio)，也可實(shí)現(xiàn)同步sio(ssio)功能。但是，本設(shè)計(jì)中要求串口和wfg中斷能同時(shí)并行處理，所以，系統(tǒng)擴(kuò)展了1片8251來(lái)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信功能。電路圖如圖2所示。
系統(tǒng)中使用了1片max485實(shí)現(xiàn)rs485電平與ttl電平之間的轉(zhuǎn)化。max485工作方式是半雙工的，在本系統(tǒng)中，也只要求在上位機(jī)發(fā)送了命令之后才要求80c196mc向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，max485完全能滿(mǎn)足要求，而且，max485還可以同時(shí)在上位機(jī)與多個(gè)終端之間傳送數(shù)據(jù)。
74ls169用來(lái)提供波特率為9600的串口接收/發(fā)送時(shí)鐘。74ls169是同步16進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它的計(jì)數(shù)和置位都是同步的。80c196mc有一個(gè)時(shí)鐘輸出端clkout，輸出頻率是晶振頻率的1/2，在本系統(tǒng)中是8mhz，經(jīng)過(guò)13分頻后可以得到615385hz的頻率信號(hào)，設(shè)置8251的分頻系數(shù)為64，則可以實(shí)現(xiàn)波特率為9615.4hz。8251的工作時(shí)鐘直接使用clkout信號(hào)。
(4) 輸出電壓與a/d轉(zhuǎn)換器的連接
把輸出電壓進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換后輸入80c196mc可以構(gòu)成電壓閉環(huán)控制。電路圖如圖3所示。

圖3 輸入電壓與a/d轉(zhuǎn)換器的連接電路圖

輸出電壓經(jīng)過(guò)d6整流后，由r20、r21、c20共同構(gòu)成簡(jiǎn)單分壓、濾波電路，d7、d8起過(guò)載保護(hù)作用，當(dāng)輸入電壓高于vref+0.7v左右時(shí)，d7導(dǎo)通，輸入電壓被箝位在vref(本電路中vref接在vcc上)左右的水平上;當(dāng)輸入電壓低于約-0.7v時(shí)，d8導(dǎo)通，輸入電壓被箝位在約-0.7v的水平上。這種過(guò)載往往是尖峰干擾，持續(xù)時(shí)間很短。mcs-96技術(shù)條件規(guī)定模擬輸入端對(duì)模擬地的電壓不能低于-0.3v，這一點(diǎn)可以靠輸入端的低通濾波器r22和c21來(lái)保證。在輸入端加上的阻容電路，除了起到低通濾波的作用外，一方面，串聯(lián)電阻r22可以起到限流作用，另一方面，如果信號(hào)源內(nèi)阻過(guò)大會(huì)降低a/d轉(zhuǎn)換的精度，而并聯(lián)的電容c21起到誤差補(bǔ)償?shù)淖饔谩?BR>2.2 各個(gè)中斷程序的設(shè)計(jì)

(1) 波形發(fā)生器中斷服務(wù)程序(wg_int)
在控制板中，80c196mc輸出的三對(duì)互補(bǔ)的pwm信號(hào)，通過(guò)6個(gè)高速光耦發(fā)送到驅(qū)動(dòng)板上的ipm。
80c196mc片內(nèi)wfg有3個(gè)同步的pwm模塊，每個(gè)模塊包含一個(gè)相位比較寄存器、一個(gè)無(wú)信號(hào)時(shí)間(deadtime)發(fā)生器和一對(duì)可編程的輸出。wfg可產(chǎn)生獨(dú)立的3對(duì)pwm波形，但它們有共同的載波頻率、無(wú)信號(hào)時(shí)間和操作方式。一旦起動(dòng)以后，wfg只要求cpu在改變pwm的占空比時(shí)加以干預(yù)。
波形發(fā)生器中斷程序主要是裝載波形發(fā)生器的相位比較寄存器wg_comp1、wg_comp2、wg_comp3。移相后的三相spwm信號(hào)的u、v、w三相相位各相差120°，其中的u相用延時(shí)來(lái)產(chǎn)生，其余v、w相通過(guò)查表產(chǎn)生。通過(guò)下式:

計(jì)算各個(gè)相位比較寄存器中應(yīng)裝入的值，u_phase是32位寄存器，裝載時(shí)，取高16位裝入相位比較寄存器。
(2) 捕獲/比較模塊3中斷服務(wù)程序(cap3)
捕獲/比較模塊3主要用來(lái)與上位機(jī)通訊。通過(guò)捕獲8251的接收準(zhǔn)備好信號(hào)來(lái)接收上位機(jī)發(fā)送的命令，并判斷上位機(jī)各命令的意義，命令格式與亞當(dāng)模塊兼容。本系統(tǒng)中設(shè)置了兩條ascii命令，一條是寫(xiě)配置命令，其格式是:
*寫(xiě)數(shù)據(jù): 寫(xiě)數(shù)據(jù)的功能:
%(old addr) s (new addr)<cr> 改變模塊的
地址
%(addr)p(給定移相值)<cr> 給定具體的移相值
%(addr)v(給定電壓值)<cr> 給定具體的電壓值
*讀數(shù)據(jù): 讀數(shù)據(jù)的功能:
#(addr) p <cr> 讀取移相值
#(addr) v <cr> 讀取電壓值
*注:old addr:本模塊的初始地址,本程序中設(shè)為8;
new addr: 本模塊的新地址;
addr: 本模塊的地址;
<cr>: 回車(chē)。
當(dāng)80c196mc檢測(cè)到相應(yīng)的命令時(shí)，便給出相應(yīng)的動(dòng)作，例如:檢測(cè)到是寫(xiě)配置命令，上位機(jī)發(fā)送完移相值時(shí)，80c196mc對(duì)wfg進(jìn)行相應(yīng)的操作，而延時(shí)啟動(dòng)wfg由捕獲/比較模塊2完成。
(3) 捕獲/比較模塊2中斷服務(wù)程序
捕獲/比較模塊2主要用來(lái)捕獲基準(zhǔn)電壓的過(guò)零點(diǎn)。一方面，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送了移相值后，通過(guò)精確延時(shí)形成移相，另一方面，把捕獲時(shí)刻記錄下來(lái)，在捕獲/比較模塊1中計(jì)算實(shí)際的移相值，構(gòu)成閉環(huán)控制。
(4) 捕獲/比較模塊1中斷服務(wù)程序
捕獲/比較模塊1主要用來(lái)捕獲輸出電壓的過(guò)零點(diǎn)，與捕獲/比較模塊2中記錄的基準(zhǔn)電壓過(guò)零點(diǎn)相比較，計(jì)算實(shí)際的移相值，然后調(diào)節(jié)wg_reload對(duì)實(shí)際移相值進(jìn)行微調(diào)。檢測(cè)pi_pend的tf1位判斷t1是否溢出，可以測(cè)量較大范圍的移相值。如果誤差值較大，則通過(guò)調(diào)節(jié)正弦表指針s_pt來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)際移相值，s_pt每改變1可以使實(shí)際移相值增大或減小1°。
(5) 捕獲/比較模塊0中斷服務(wù)子程序
捕獲/比較模塊0用來(lái)控制80c196mc向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送完一條命令后，80c196mc向上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)捕獲8251的txrdy信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所發(fā)送的命令的格式與亞當(dāng)模塊兼容。
讀數(shù)據(jù): 讀數(shù)據(jù)的功能:
#(addr) p <cr> 讀取移相值
#(addr) v <cr> 讀取電壓值
讀數(shù)據(jù)的響應(yīng):
>(addr)p(讀取移相值)<cr>
>(addr)v(讀取電壓值)<cr>
(6) 主程序和a/d轉(zhuǎn)換器中斷服務(wù)程序
主程序中主要任務(wù)是進(jìn)行初始化的工作。a/d轉(zhuǎn)換器中斷服務(wù)程序主要完成對(duì)輸出電壓幅值的測(cè)量，與給定值相比較，通過(guò)調(diào)整調(diào)制深度來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

3 驅(qū)動(dòng)板主電路及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
3.1 三菱智能功率模塊(ipm)

三菱智能功率模塊(ipm)是一種將高速、低損耗igbt及其最佳門(mén)極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路集于一體的功率模塊。該模塊通過(guò)使用一種先進(jìn)的在線(xiàn)監(jiān)控電流傳感型igbt來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的過(guò)電流和短路保護(hù)。ipm的過(guò)溫保護(hù)和低電壓閉鎖保護(hù)更是大大的提高了系統(tǒng)的可靠性，而且整體模塊體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，從而大大減小了整個(gè)裝置的外形尺寸。另外，ipm的體積與普通igbt模塊不相上下，價(jià)格也比較接近，因此目前應(yīng)用較為廣泛。ipm內(nèi)部集成有各路igbt的驅(qū)動(dòng)電路及異常情況檢測(cè)電路和保護(hù)電路，這些保護(hù)包括以下幾方面:控制電壓閉鎖、溫度保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)。
隨著智能功率模塊(ipm)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，ipm正在逐步取代普通igbt模塊。采用智能功率模塊(ipm)可以有效地提高系統(tǒng)的可靠性、縮短開(kāi)發(fā)周期。ipm集電力電子和微電子技術(shù)于一身，是很有前途的電力電子器件。

3.2 驅(qū)動(dòng)板主電路及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)板由于采用了第三代ipm，使得電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)潔?？傮w而言，主電路采用了“交-直-交”結(jié)構(gòu)。主電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)板電路結(jié)構(gòu)示意框圖

ipm的故障輸出信號(hào)共有4路，在驅(qū)動(dòng)板上先將這4路故障輸出信號(hào)加以合并后才反饋回單片機(jī)的外部事件中斷輸入腳extint。驅(qū)動(dòng)板主電路如圖5所示。

圖5 主電路圖
3.3 單片機(jī)與ipm之間光耦的選擇
單片機(jī)向ipm發(fā)送的控制信號(hào)(即80c196mc輸出的六路pwm信號(hào))需經(jīng)過(guò)具有高共模抑制比(cmr)的高速光耦隔離、調(diào)整后，再傳輸給ipm的控制信號(hào)輸入端。對(duì)此種高速光耦的要求如下:
tplh，tphl＜0.8μs cmr>10kv/μs
日本toshiba公司生產(chǎn)的tlp559型高速光耦可滿(mǎn)足要求，本文采用了此種光耦為ipm傳送控制信號(hào)。
pm20csj060型光耦具有4個(gè)故障信號(hào)輸出端，對(duì)于向單片機(jī)反饋的故障信號(hào)而言，也需要光耦隔離，低速光耦就可以滿(mǎn)足要求，在這里我選用了tlp521-4型低速光耦。當(dāng)然，這種低速光耦沒(méi)有內(nèi)部屏蔽，一些開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)耦合進(jìn)光耦里，采用一組時(shí)間常數(shù)約為10μs的rc濾波器加在光耦的輸出端可消除這一噪聲，此濾波器對(duì)ipm的故障輸出信號(hào)幾乎沒(méi)有影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

80c196mc輸出三對(duì)互補(bǔ)的pwm信號(hào)，通過(guò)6個(gè)高速光耦發(fā)送到驅(qū)動(dòng)板上的ipm構(gòu)成了數(shù)字移相器，該數(shù)字移相器除了能移相外還可以進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié)。通過(guò)串口通信，上位機(jī)可以隨意控制正弦波的相位和電壓幅度。該模塊能正常地進(jìn)行調(diào)壓及移相。輸出波形、移相為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，波失真度＜0.3%，參考相為系統(tǒng)正弦波。移相電壓輸出0～100v(恒壓)。調(diào)壓的精度為0.1v。移相范圍:±3600連續(xù)可調(diào)，移相精度1°。

參考文獻(xiàn)
[1] 徐愛(ài)卿. inbbb16位單片機(jī)(修訂版)[m]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.
[2] 王秉時(shí). 移相技術(shù)的發(fā)展與移相器產(chǎn)品的進(jìn)步[j]. 電測(cè)與儀表,1998,(3).
[3] 孫涵芳. inbbb 16位單片機(jī)[m]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版杜,2000.

作者簡(jiǎn)介
王福林 華北工學(xué)院2001年碩士研究生，研究方向是計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制。