1 引言
半橋、h橋和推挽式直流變換電路，是常用的雙端正激式dc/dc變換電路。對這類變換器，通常較多地采用專用pwm集成電路(如：tl494、uc3525等)來實現(xiàn)對其上下橋臂占空比的調節(jié)和閉環(huán)控制，電路結構簡單，性能可靠，在很多特種電源設備中獲得了廣泛應用。然而，隨著技術的發(fā)展，各行各業(yè)對電力電子特種電源裝置提出的性能要求越來越高，尤其是許多專用特種電源，比如用于陰極防腐保護電源等，不僅要求dc/dc變換器輸出穩(wěn)定度高，還要求能夠根據(jù)特殊應用領域的特點實現(xiàn)全數(shù)字化控制和信息化管理，諸如數(shù)據(jù)采集、直接數(shù)字控制(ddc)、數(shù)字化鍵盤及顯示、智能控制算法和網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)遠傳等[1]。要實現(xiàn)這些功能，專用pwm集成電路是無法勝任的。因此選用各種單片機或dsp等作為系統(tǒng)控制核心來統(tǒng)一完成所要求的功能是一種很好的選擇方案。其中，單片機或dsp除完成各種控制和管理工作之外，如何產(chǎn)生穩(wěn)定可靠、調節(jié)靈活的pwm控制信號，是一個人們尤其關注和研究的重要問題，它對dc/dc變換器乃至整體系統(tǒng)的性能具有決定性的作用。目前帶有pwm控制功能的單片機或dsp種類繁多，但幾乎毫無例外地都是為交流變頻調速而專門設計的，難以直接替代專用pwm集成電路，實現(xiàn)對dc/dc變換器的pwm控制。
本文正是針對上述問題，通過對87c196mc單片機及波形發(fā)生器(wfg)的深入研究分析，提出了一種通過調整死區(qū)時間生成dc/dc變換器pwm控制脈沖的新方法。該方法思路巧妙新穎，比wfg的常規(guī)使用方法程序設計簡便，占空比調整范圍寬，分辨率高，并且消除了由于頻發(fā)的wfg中斷帶來的時間開銷，為單片機完成其他運算和高級處理騰出大量的時間。通過陰極防腐保護恒電位儀樣機的實驗結果，證實了本控制方案的正確性。
2 波形發(fā)生器及死區(qū)延時工作原理
87c196mc單片機是專門為電機與電源控制所設計的一種16位微控制器，內含三相波形發(fā)生器(wfg)和若干其它資源配置。其中波形發(fā)生器有專門的死區(qū)時間控制器，且有多種工作方式，可靈活編程以適應不同變換器的控制要求。wfg的各種工作方式，可用于產(chǎn)生中心對準和邊沿對準的pwm波形，特別適用于控制電機和其他需要pwm輸出的裝置[2]。本文使用的是邊沿對準pwm輸出方式。
圖1為邊沿對準pwm波形生成原理圖。波形發(fā)生器有16位重裝寄存器(wg_reload)，16位加/減計數(shù)器(wg_count)，16位比較寄存器(wg_comp)和16位控制寄存器(低10位決定死區(qū)時間)。wg_reload決定載波周期，當wg_reload一定時wg_comp決定占空比。在邊沿對準pwm方式中，當允許波形發(fā)生器工作時，wg_count不斷進行加計數(shù)。每次計數(shù)到wg_count與wg_comp的數(shù)值相等時，輸出發(fā)生跳變，而另一路輸出wg則比提前dead_time發(fā)生跳變，這樣便在wg_count與wg_comp相等之前形成一段長度為dead_time的死區(qū)時間。同樣，當wg_count與wg_reload相等時輸出wg發(fā)生跳變，另一路輸出則比wg提前dead_ime發(fā)生跳變，這樣便在wg_count與wg_reload相等之前形成一段長度為dead_time的死區(qū)時間[3][4]。
圖1 邊沿對準pwm
從圖1中可以看出死區(qū)時間生成于wg_count與wg_comp或wg_reload匹配之前，或者說發(fā)生在輸出波形跳變的上升沿之前，而輸出跳變的上升沿發(fā)生在比較匹配時。
3 pwm控制實現(xiàn)與分析
wg_reload、wg_comp和dead_time這三個寄存器的值都可以根據(jù)控制需要隨時改變，其中wg_reload決定載波周期，如果其值保持不變則可以保持開關頻率固定。在固定wg_reload和dead_time而改變wg_comp大小的情況下，可以實現(xiàn)wg與兩路占空比在0～100%范圍內可調的pwm互補通斷輸出，這是波形發(fā)生器的常規(guī)pwm控制方式。然而，該方式并不適合于半橋和h橋式逆變器的pwm控制。這正是本方案區(qū)別于波形發(fā)生器常規(guī)應用的獨到之處。
圖1中示出在wg_reload與wg_comp一定時，死區(qū)時間越大輸出的占空比越小，而死區(qū)時間占有10位的寄存器有較大的調整范圍，因此可以通過控制死區(qū)時間來改變占空比。還可以看出如果固定wg_relaod，取wg_comp為wg_reload的一半，便可實現(xiàn)wg與兩路脈沖互差180°。
給定以固定的wg_reload便固定了開關頻率，始終保持wg_comp為wg_reload的一半，便保持了波形發(fā)生器wg與兩路輸出的180°移相。當需要改變輸出波形的占空比時只需改變死區(qū)時間即可，如需要增大占空比便減小死區(qū)時間，要減小占空比則增大死區(qū)時間。按著這一思路便可形成開關頻率固定，占空比可在0～50%可調的兩路互差180°的pwm控制脈沖，剛好適合于半橋式dc/dc變換器的控制。照此還可以再產(chǎn)生同樣的兩路輸出脈沖，以適應h橋dc/dc變換器的控制要求。
由于波形發(fā)生器的時基為單片機晶振頻率的一半，因此開關頻率為：
(1)
式中fxtal為單片機外部晶振頻率(mhz)。根據(jù)邊沿對準pwm波形的生成原理可以得到占空比：
(2)
鑒于wg_comp取值保持為wg_reload的一半，改變dead_time可使占空比d在0～50%范圍內可調。
將式(2)進行變換得死區(qū)時間：
(3)
根據(jù)給定的開關頻率fc，按式(1)確定wg_reload值，將wg_reload的一半賦給wg_comp，再根據(jù)占空比的要求按式(3)計算死區(qū)時間，并隨時調用更改死區(qū)時間子程序。圖2所示為具體的編程流程。主要程序及分析如下：
圖2 程序流程
ld ax，period ；固定開關頻率將值賦給wg_reload寄存器
st ax，wg_reload
ld ax，h_period ；將wg_reload的一半賦給wg_comp1寄存器
st ax，wg_comp1
loop: …… ；循環(huán)控制程序確定占空比與死區(qū)時間
lcall change ；調用更改死區(qū)時間子程序
…… ；其他控制功能
change： ld ax，d_time ；改變死區(qū)時間子程序
or ax，#2c00h ；只改變十位死區(qū)時間寄存器值
st ax，1fcch[0] ；寫入控制寄存器
ret ；返回
從上述程序段中可以看出，更改死區(qū)時間(即改變占空比)的過程非常簡潔方便。
在wg_comp和 wg_reload取定的情況下，開關頻率決定于wg_reload也一定，由式(2)取占空比d對死區(qū)時間dead_time的微分，可考察占空比的分辨率：
(4)
例如外部晶振采用16mhz，取開關頻率fc為8khz，由式(1)可算得wg_reload＝1000，由式(4)表明，死區(qū)時間寄存器每增加1，即d(dead_time)＝1，則占空比減小0.1%，相應地，輸出波形的脈寬減小0.125μs。可見本方案的占空比控制具有很高的分辨率，完全能夠滿足控制的精度要求。
4 實驗結果
基于87c196mc死區(qū)時間調制的pwm控制方法所研發(fā)的陰極防腐保護恒電位儀樣機，所采用的開關頻率為8khz，在占空比為20%時利用泰克tds3014b數(shù)字存儲示波器所記錄的實驗波形如圖3和4所示，其中圖3為單片機的輸出的兩路pwm脈沖波形，圖4為將單片機輸出的兩路控制脈沖分別經(jīng)過驅動電路去控制半橋式逆變器所得輸出電壓波形。
圖3 單片機輸出pwm波形
圖4 半橋式逆變器輸出電壓波形
實驗結果表明，采用對87c196mc單片機內置波形發(fā)生器死區(qū)時間調制的方式，所產(chǎn)生的半橋式dc/dc變換器pwm控制脈沖穩(wěn)定性好，調節(jié)范圍很寬，很好地滿足了陰極防腐保護裝置的要求。
5 結束語
通過實驗證明，該方法充分利用了波形發(fā)生器的死區(qū)時間控制功能，輸出穩(wěn)定，程序設計簡便，占空比調整范圍寬，有較高的分辨率。使用87c196mc單片機能實現(xiàn)較復雜的數(shù)字化控制和信息化管理等較多功能，能夠完全替代專用集成pwm控制芯片，且彌補了采用專用控制芯片的不足，對于性能要求較高的專用電源是很好的選擇方案。
作者簡介
平朝春(1983-) 男 在讀碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。
張加勝(1957-) 男 博士/教授，研究方向為電力電子與電力傳動。
參考文獻
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[2] 趙秀菊,劉江桁.單片微機8xc196原理及應用.南京:東南大學出版社,1994
[3] inbbb corporation. 8xc196mc microcontroller user’s manual,2004
[4] 孫涵芳.inbbb 16 位單片機.北京:北京航空航天大學出版社,1996
[5] 吳隆安,賴壽宏,鄧想珍等. 8xc196mc特有的spwm輸出功能. 電氣傳動,1994(3):31-34
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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