原创 一种电压可调的数字移相器的设计

一种电压可调的数字移相器的设计

目的:实现一种类似ADAM、EDA等模块的数字移相器。方法:80C196MC输出三对互补的PWM信号，通过六个高速光耦发送到驱动板上的IPM实现模块的调压及移相.结果:模块能正常地进行调压及移相。结论:调压及移相精度大为提高。
英文摘 要 ：Aim To realize a kind of digital phasen shifter that is similar to ADAM、EDA module.Methods 80C196MC output three complementary PWM signals.And then three complementary PWM signals will drive IPM in drive board to realize voltage adjustment and phasen shift of module.Results The module works very normally in voltage adjustment and phasen shift.Conclusion The accuracy of voltage adjustment and phasen shift will be risen greatly.
关键词： 数字移相器 , SPWM , 80C196MC , IPM , 串口通信

1 引言

在国内外，数字移相主要有两种形式:一种是先将正弦波信号数字化，并形成一张数据表存入ROM芯片中，此后可通过2片D/A转换芯片在单片机的控制下连续地循环输出该数据表，就可获得两路正弦波信号，当两片D/A转换芯片所获得的数据序列完全相同时，则转换所得到的两路正弦波信号无相位差，称为同相。当2片D/A转换芯片所获得的数据序列不同时，则转换所得到的两路正弦波信号就存在着相位差。相位差的值与数据表中数据的总个数及数据地址的偏移量有关。这种处理方式的实质是将数据地址的偏移量映射为信号间的相位值。
另一种是先将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号。以延时的长短来决定两信号间的相位值。这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。
以D/A转换方式实现的移相，虽然所用元件少，但输出信号的频率难以细调，特别是移相的最小单位太大。在50Hz频率下，要达到0.10/步移相精度难以办到。因此，该方式只适合于对频率要求不高，且移相角度固定的场合。以延时输出方波的方式实现的移相，其硬件电路比较复杂(锁相及波形变换电路)。输出信号的频率以参考信号的频率为准，而参考信号的频率则可以精确给定。移相的最小单位可小于0.1°/步，这就为无级移相提供了基础。因此，该方式可用于对频率要求高，且需3600无级移相的场合。本课题将设计一种相位、电压幅度都可控制的数字移相器。先用80C196MC产生SPWM，通过六个高速光耦发送到驱动板上的IPM实现模块的调压及移相。通过串口通信，正弦波的相位、电压幅度由上位机给定。

2 控制电路的设计及程序的设计
2.1 控制电路的设计

控制电路主要完成SPWM波形的产生、实际移相值的测量、与上位机的通讯等功能。
(1) 外部存储器的扩展
系统采用了16位总线方式，扩展2片程序存储器27128。74LS138的输入为地址总线的高3位:A15、A14、A13，其输出、、通过三输入与门74LS11连接到两片存储器的端，因而2片存储器的地址是2000H～7FFFH，接至存储器的输出选通端。程序的偶字节在U2中，奇字节在U3中，存储器的最低8K没有使用。电路图略。
单片机可以按字或字节访问外部存储器，但在读外存时，把16位数据同时取入存储器控制器，在控制器内部根据情况选取一个字节或一个字，把不用的部分舍弃。信号同时选通高位字节和低位字节，而A0不与存储器相连。
(2) 基准电压、输出电压与80C196MC的连接
80C196MC需要检测基准电压(220VAC)和输出电压的过零点，以准确延时形成移相，或是构成闭环控制，实现比较精确的移相控制。电路图如图1所示。

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图1 基准电压、输出电压与80C196MC的连接电路图

LM393是电压比较器，其片内有2个相同的电压比较模块，输出电压经过2个反并联的二极管IN4148限幅后输入LM393，是LM393的输入电压箝位在±0.7V左右，LM393的输出连接到80C196MC的68、65脚的2个捕获/比较模块的外部引脚上。LM393的输出需要连接10kΩ的上拉电阻。

图2 80C196MC的串行通信电路图

(3) 80C196MC与上位机的串行通信
80C196MC没有硬件通用异步收发器UART，利用专门的PTS模式可以实现串行输入和串行输出功能，既可实现异步SIO(ASIO)，也可实现同步SIO(SSIO)功能。但是，本设计中要求串口和WFG中断能同时并行处理，所以，系统扩展了1片8251来实现与上位机的通信功能。电路图如图2所示。
系统中使用了1片MAX485实现RS485电平与TTL电平之间的转化。MAX485工作方式是半双工的，在本系统中，也只要求在上位机发送了命令之后才要求80C196MC向上位机发送数据，MAX485完全能满足要求，而且，MAX485还可以同时在上位机与多个终端之间传送数据。
74LS169用来提供波特率为9600的串口接收/发送时钟。74LS169是同步16进制计数器，它的计数和置位都是同步的。80C196MC有一个时钟输出端CLKOUT，输出频率是晶振频率的1/2，在本系统中是8MHz，经过13分频后可以得到615385Hz的频率信号，设置8251的分频系数为64，则可以实现波特率为9615.4Hz。8251的工作时钟直接使用CLKOUT信号。
(4) 输出电压与A/D转换器的连接
把输出电压进行A/D转换后输入80C196MC可以构成电压闭环控制。电路图如图3所示。

图3 输入电压与A/D转换器的连接电路图

输出电压经过D6整流后，由R20、R21、C20共同构成简单分压、滤波电路，D7、D8起过载保护作用，当输入电压高于VREF 0.7V左右时，D7导通，输入电压被箝位在VREF(本电路中VREF接在VCC上)左右的水平上;当输入电压低于约-0.7V时，D8导通，输入电压被箝位在约-0.7V的水平上。这种过载往往是尖峰干扰，持续时间很短。MCS-96技术条件规定模拟输入端对模拟地的电压不能低于-0.3V，这一点可以靠输入端的低通滤波器R22和C21来保证。在输入端加上的阻容电路，除了起到低通滤波的作用外，一方面，串联电阻R22可以起到限流作用，另一方面，如果信号源内阻过大会降低A/D转换的精度，而并联的电容C21起到误差补偿的作用。
2.2 各个中断程序的设计

(1) 波形发生器中断服务程序(WG_INT)
在控制板中，80C196MC输出的三对互补的PWM信号，通过6个高速光耦发送到驱动板上的IPM。
80C196MC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(deadtime)发生器和一对可编程的输出。WFG可产生独立的3对PWM波形，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式。一旦起动以后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。
波形发生器中断程序主要是装载波形发生器的相位比较寄存器WG_COMP1、WG_COMP2、WG_COMP3。移相后的三相SPWM信号的U、V、W三相相位各相差120°，其中的U相用延时来产生，其余V、W相通过查表产生。通过下式:

计算各个相位比较寄存器中应装入的值，U_PHASE是32位寄存器，装载时，取高16位装入相位比较寄存器。
(2) 捕获/比较模块3中断服务程序(CAP3)
捕获/比较模块3主要用来与上位机通讯。通过捕获8251的接收准备好信号来接收上位机发送的命令，并判断上位机各命令的意义，命令格式与亚当模块兼容。本系统中设置了两条ASCII命令，一条是写配置命令，其格式是:
*写数据: 写数据的功能:
%(OLD ADDR) S (NEW ADDR)<CR> 改变模块的
地址
%(ADDR)P(给定移相值)<CR> 给定具体的移相值
%(ADDR)V(给定电压值)<CR> 给定具体的电压值
*读数据: 读数据的功能:
#(ADDR) P <CR> 读取移相值
#(ADDR) V <CR> 读取电压值
*注:OLD ADDR:本模块的初始地址,本程序中设为8;
NEW ADDR: 本模块的新地址;
ADDR: 本模块的地址;
<CR>: 回车。
当80C196MC检测到相应的命令时，便给出相应的动作，例如:检测到是写配置命令，上位机发送完移相值时，80C196MC对WFG进行相应的操作，而延时启动WFG由捕获/比较模块2完成。
(3) 捕获/比较模块2中断服务程序
捕获/比较模块2主要用来捕获基准电压的过零点。一方面，当上位机发送了移相值后，通过精确延时形成移相，另一方面，把捕获时刻记录下来，在捕获/比较模块1中计算实际的移相值，构成闭环控制。
(4) 捕获/比较模块1中断服务程序
捕获/比较模块1主要用来捕获输出电压的过零点，与捕获/比较模块2中记录的基准电压过零点相比较，计算实际的移相值，然后调节WG_RELOAD对实际移相值进行微调。检测PI_PEND的TF1位判断T1是否溢出，可以测量较大范围的移相值。如果误差值较大，则通过调节正弦表指针S_PT来调节实际移相值，S_PT每改变1可以使实际移相值增大或减小1°。
(5) 捕获/比较模块0中断服务子程序
捕获/比较模块0用来控制80C196MC向上位机发送数据。当上位机发送完一条命令后，80C196MC向上位机发送相应的数据，通过捕获8251的TXRDY信号来实现。所发送的命令的格式与亚当模块兼容。
读数据: 读数据的功能:
#(ADDR) P <CR> 读取移相值
#(ADDR) V <CR> 读取电压值
读数据的响应:
>(ADDR)P(读取移相值)<CR>
>(ADDR)V(读取电压值)<CR>
(6) 主程序和A/D转换器中断服务程序
主程序中主要任务是进行初始化的工作。A/D转换器中断服务程序主要完成对输出电压幅值的测量，与给定值相比较，通过调整调制深度来实现闭环控制。

3 驱动板主电路及驱动电路的设计
3.1 三菱智能功率模块(IPM)

三菱智能功率模块(IPM)是一种将高速、低损耗IGBT及其最佳门极驱动和保护电路集于一体的功率模块。该模块通过使用一种先进的在线监控电流传感型IGBT来实现高效的过电流和短路保护。IPM的过温保护和低电压闭锁保护更是大大的提高了系统的可靠性，而且整体模块体积小，结构紧凑，从而大大减小了整个装置的外形尺寸。另外，IPM的体积与普通IGBT模块不相上下，价格也比较接近，因此目前应用较为广泛。IPM内部集成有各路IGBT的驱动电路及异常情况检测电路和保护电路，这些保护包括以下几方面:控制电压闭锁、温度保护电路、过流保护和短路保护。
随着智能功率模块(IPM)技术的发展应用，IPM正在逐步取代普通IGBT模块。采用智能功率模块(IPM)可以有效地提高系统的可靠性、缩短开发周期。IPM集电力电子和微电子技术于一身，是很有前途的电力电子器件。

3.2 驱动板主电路及驱动电路的设计
驱动板由于采用了第三代IPM，使得电路结构较为简洁。总体而言，主电路采用了“交-直-交”结构。主电路结构示意图如图4所示。

图4 驱动板电路结构示意框图

IPM的故障输出信号共有4路，在驱动板上先将这4路故障输出信号加以合并后才反馈回单片机的外部事件中断输入脚EXTINT。驱动板主电路如图5所示。

图5 主电路图
3.3 单片机与IPM之间光耦的选择
单片机向IPM发送的控制信号(即80C196MC输出的六路PWM信号)需经过具有高共模抑制比(CMR)的高速光耦隔离、调整后，再传输给IPM的控制信号输入端。对此种高速光耦的要求如下:
tPLH，tPHL＜0.8μS CMR>10KV/μs
日本TOSHIBA公司生产的TLP559型高速光耦可满足要求，本文采用了此种光耦为IPM传送控制信号。
PM20CSJ060型光耦具有4个故障信号输出端，对于向单片机反馈的故障信号而言，也需要光耦隔离，低速光耦就可以满足要求，在这里我选用了TLP521-4型低速光耦。当然，这种低速光耦没有内部屏蔽，一些开关噪声会耦合进光耦里，采用一组时间常数约为10μS的RC滤波器加在光耦的输出端可消除这一噪声，此滤波器对IPM的故障输出信号几乎没有影响。

4 结束语

80C196MC输出三对互补的PWM信号，通过6个高速光耦发送到驱动板上的IPM构成了数字移相器，该数字移相器除了能移相外还可以进行电压的调节。通过串口通信，上位机可以随意控制正弦波的相位和电压幅度。该模块能正常地进行调压及移相。输出波形、移相为标准正弦波，波失真度＜0.3%，参考相为系统正弦波。移相电压输出0～100V(恒压)。调压的精度为0.1V。移相范围:±3600连续可调，移相精度1°。