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(duì)這類(lèi)變換器，通常較多地采用專(zhuān)用pwm集成電路(如：tl494、uc3525等)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其上下橋臂占空比的調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，在很多特種電源設(shè)備中獲得了廣泛應(yīng)用。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)電力電子特種電源裝置提出的性能要求越來(lái)越高，尤其是許多專(zhuān)用特種電源，比如用于陰極防腐保護(hù)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(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)實(shí)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(pán)及顯示、智能控制算法和網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等^[1]。要實(shí)現(xiàn)這些功能，專(zhuān)用pwm集成電路是無(wú)法勝任的。因此選用各種單片機(jī)或dsp等作為系統(tǒng)控制核心來(lái)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(jī)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(diào)節(jié)靈活的pwm控制信號(hào)，是一個(gè)人們尤其關(guān)注和研究的重要問(wèn)題，它對(duì)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(jī)或dsp種類(lèi)繁多，但幾乎毫無(wú)例外地都是為交流變頻調(diào)速而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，難以直接替代專(zhuān)用pwm集成電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)dc/dc變換器的pwm控制。
本文正是針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)對(duì)87c196mc單片機(jī)及波形發(fā)生器(wfg)的深入研究分析，提出了一種通過(guò)調(diào)整死區(qū)時(shí)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，占空比調(diào)整范圍寬，分辨率高，并且消除了由于頻發(fā)的wfg中斷帶來(lái)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，為單片機(jī)完成其他運(yùn)算和高級(jí)處理騰出大量的時(shí)間。通過(guò)陰極防腐保護(hù)恒電位儀樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了本控制方案的正確性。

2 波形發(fā)生器及死區(qū)延時(shí)工作原理
87c196mc單片機(jī)是專(zhuān)門(mén)為電機(jī)與電源控制所設(shè)計(jì)的一種16位微控制器，內(nèi)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(zhuān)門(mén)的死區(qū)時(shí)間控制器，且有多種工作方式，可靈活編程以適應(yīng)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(duì)準(zhǔn)和邊沿對(duì)準(zhǔn)的pwm波形，特別適用于控制電機(jī)和其他需要pwm輸出的裝置^[2]。本文使用的是邊沿對(duì)準(zhǔn)pwm輸出方式。

圖1為邊沿對(duì)準(zhǔn)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(jì)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(shí)間)。wg_reload決定載波周期，當(dāng)wg_reload一定時(shí)wg_comp決定占空比。在邊沿對(duì)準(zhǔn)pwm方式中，當(dāng)允許波形發(fā)生器工作時(shí)，wg_count不斷進(jìn)行加計(jì)數(shù)。每次計(jì)數(shù)到wg_count與wg_comp的數(shù)值相等時(shí)，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(zhǎng)度為dead_time的死區(qū)時(shí)間。同樣，當(dāng)wg_count與wg_reload相等時(shí)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(zhǎng)度為dead_time的死區(qū)時(shí)間^[3][4]。

圖1 邊沿對(duì)準(zhǔn)pwm

從圖1中可以看出死區(qū)時(shí)間生成于wg_count與wg_comp或wg_reload匹配之前，或者說(shuō)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(shí)。

3 pwm控制實(shí)現(xiàn)與分析
wg_reload、wg_comp和dead_time這三個(gè)寄存器的值都可以根據(jù)控制需要隨時(shí)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(kāi)關(guān)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(shí)現(xiàn)wg與兩路占空比在0～100%范圍內(nèi)可調(diào)的pwm互補(bǔ)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(yīng)用的獨(dú)到之處。
圖1中示出在wg_reload與wg_comp一定時(shí)，死區(qū)時(shí)間越大輸出的占空比越小，而死區(qū)時(shí)間占有10位的寄存器有較大的調(diào)整范圍，因此可以通過(guò)控制死區(qū)時(shí)間來(lái)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(shí)現(xiàn)wg與兩路脈沖互差180°。
給定以固定的wg_reload便固定了開(kāi)關(guān)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(dāng)需要改變輸出波形的占空比時(shí)只需改變死區(qū)時(shí)間即可，如需要增大占空比便減小死區(qū)時(shí)間，要減小占空比則增大死區(qū)時(shí)間。按著這一思路便可形成開(kāi)關(guān)頻率固定，占空比可在0～50%可調(diào)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(yīng)h橋dc/dc變換器的控制要求。
由于波形發(fā)生器的時(shí)基為單片機(jī)晶振頻率的一半，因此開(kāi)關(guān)頻率為：

(1)

式中f_xtal為單片機(jī)外部晶振頻率(mhz)。根據(jù)邊沿對(duì)準(zhǔn)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(nèi)可調(diào)。
將式(2)進(jìn)行變換得死區(qū)時(shí)間：

(3)

根據(jù)給定的開(kāi)關(guān)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(jì)算死區(qū)時(shí)間，并隨時(shí)調(diào)用更改死區(qū)時(shí)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(kāi)關(guān)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(shí)間
lcall change ；調(diào)用更改死區(qū)時(shí)間子程序
…… ；其他控制功能
change： ld ax，d_time ；改變死區(qū)時(shí)間子程序
or ax，#2c00h ；只改變十位死區(qū)時(shí)間寄存器值
st ax，1fcch[0] ；寫(xiě)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(shí)間(即改變占空比)的過(guò)程非常簡(jiǎn)潔方便。
在wg_comp和 wg_reload取定的情況下，開(kāi)關(guān)頻率決定于wg_reload也一定，由式(2)取占空比d對(duì)死區(qū)時(shí)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(kāi)關(guān)頻率fc為8khz，由式(1)可算得wg_reload＝1000，由式(4)表明，死區(qū)時(shí)間寄存器每增加1，即d(dead_time)＝1，則占空比減小0.1%，相應(yīng)地，輸出波形的脈寬減小0.125μs?？梢?jiàn)本方案的占空比控制具有很高的分辨率，完全能夠滿(mǎn)足控制的精度要求。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
基于87c196mc死區(qū)時(shí)間調(diào)制的pwm控制方法所研發(fā)的陰極防腐保護(hù)恒電位儀樣機(jī)，所采用的開(kāi)關(guān)頻率為8khz，在占空比為20%時(shí)利用泰克tds3014b數(shù)字存儲(chǔ)示波器所記錄的實(shí)驗(yàn)波形如圖3和4所示，其中圖3為單片機(jī)的輸出的兩路pwm脈沖波形，圖4為將單片機(jī)輸出的兩路控制脈沖分別經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制半橋式逆變器所得輸出電壓波形。

圖3 單片機(jī)輸出pwm波形

圖4 半橋式逆變器輸出電壓波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用對(duì)87c196mc單片機(jī)內(nèi)置波形發(fā)生器死區(qū)時(shí)間調(diào)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(diào)節(jié)范圍很寬，很好地滿(mǎn)足了陰極防腐保護(hù)裝置的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該方法充分利用了波形發(fā)生器的死區(qū)時(shí)間控制功能，輸出穩(wěn)定，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，占空比調(diào)整范圍寬，有較高的分辨率。使用87c196mc單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)較復(fù)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(zhuān)用集成pwm控制芯片，且彌補(bǔ)了采用專(zhuān)用控制芯片的不足，對(duì)于性能要求較高的專(zhuān)用電源是很好的選擇方案。

作者簡(jiǎn)介
平朝春(1983-) 男 在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。
張加勝(1957-) 男 博士/教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

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