PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)的SPWM控制技術(shù)

本文采用軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)的方法，利用面積等效法，并且基于PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)?zāi)孀兿到y(tǒng)的SPWM控制。

目前SPWM的產(chǎn)生方法很多，匯總?cè)缦?
1)利用分立元件，采用模擬、數(shù)字混和電路生成SPWM波。此方法電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難且不易改進(jìn)；
2)由SPWM專用芯片SA828系列與微處理器直接連接生成SPWM波，SA828是由規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM波的，相對(duì)諧波較大且無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；
3)利用CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式SPWM發(fā)生器；
4)基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM，此方法控制電路簡(jiǎn)單可靠，利用軟件產(chǎn)生SPWM波，減輕了對(duì)硬件的要求，且成本低，受外界干擾小。

在UPS等電力電子設(shè)備中，控制方法是核心技術(shù)。早期的控制方法使得輸出為矩形波，諧波含量較高，濾波困難。SPWM技術(shù)較好地克服了這些缺點(diǎn)。 而當(dāng)今單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)從單純依賴于51系列單片機(jī)向其它多種單片機(jī)發(fā)展，尤其以嵌入式PIC單片機(jī)的發(fā)展應(yīng)用更為廣泛。PIC單片機(jī)含具有PWM功能的外圍功能模塊(CCP)，利用此模塊更容易通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)SPWM，且具有更快的執(zhí)行速度。

1 面積等效的SPWM控制算法
目前生成SPWM波的控制算法主要有4種。
1)自然采樣法；
2)對(duì)稱規(guī)則采樣法；
3)不對(duì)稱規(guī)則采樣法；
4)面積等效法。
理論分析后知自然采樣法和面積等效法相對(duì)于規(guī)則采樣法諧波較小，對(duì)諧波的抑制能力較強(qiáng)。又因?yàn)镻IC單片機(jī)片內(nèi)無(wú)較大空間實(shí)現(xiàn)在線運(yùn)算，所以自然采樣法不利于軟件實(shí)現(xiàn)。本文的試驗(yàn)系統(tǒng)采用面積等效法實(shí)現(xiàn)SPWM控制，其原理如圖1所示。

圖1 SPWM面積等效算法

利用正弦波小塊面積S1與脈沖面積S2相等原則，將正弦波的正半周分為N等分，則每一等分的寬度為π/N弧度，利用面積等效法計(jì)算出半個(gè)周期內(nèi)N個(gè)不同的脈寬值，將產(chǎn)生的脈寬數(shù)列以列表形式存于PIC單片機(jī)的ROM中，以供程序調(diào)用。
脈寬產(chǎn)生的基本公式為
(1)
SPWM開(kāi)關(guān)點(diǎn)時(shí)刻公式為

式中M為調(diào)制度；
N為載波比，即半個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，實(shí)驗(yàn)中N取64；
k取值為0—63。
由式(1)計(jì)算出的實(shí)際脈寬轉(zhuǎn)換成計(jì)時(shí)步階后生成64個(gè)值的正弦表存入PIC的ROM中以供調(diào)用。產(chǎn)生的SPWM脈寬表是一個(gè)由窄到寬，再由寬到窄的64個(gè)值的表。

2 軟硬件結(jié)合試驗(yàn)系統(tǒng)
以PIC單片機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)外圍功能模塊(CCP)為基礎(chǔ)，利用該模塊具有的PWM功能，軟件控制兩路SPWM波形的輸出。再將這兩路SPWM波利用互補(bǔ)導(dǎo)通原則變換成4路，經(jīng)隔離放大后驅(qū)動(dòng)IGBT逆變器，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的控制。
2.1 硬件設(shè)計(jì)
試驗(yàn)硬件系統(tǒng)如圖2所示。選擇PIC單片機(jī)的中檔系列。該系列單片機(jī)的主要特點(diǎn)有：
1)具有高性能的RISC CPU；
2)除程序分支指令為兩個(gè)周期外，其余均為單周期指令，且僅有35條單字指令；
3)8K×14個(gè)FLASH程序存儲(chǔ)器，368×8個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)字節(jié)；
4)中斷能力強(qiáng)，達(dá)到14個(gè)中斷源；
5)外圍功能模塊豐富，含2個(gè)16位寄存器的CCP模塊，具有PWM功能；
6)含3個(gè)定時(shí)器，其中與PWM功能相關(guān)的定時(shí)器2(即TMR2)帶有8位周期寄存器，且?guī)в?位預(yù)分頻器和后分頻器。

圖2 硬件試驗(yàn)系統(tǒng)

逆變部分采用自關(guān)斷器件IGBT實(shí)現(xiàn)單相全橋逆變。IGBT是全控型電力電子器件，它的控制級(jí)為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，輸出級(jí)為雙級(jí)功率晶體管，因而它具有兩者的優(yōu)點(diǎn)而克服了兩者的缺點(diǎn)。它開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)高，驅(qū)動(dòng)功率小，構(gòu)成的功率交換器輸出電壓紋波小，線路簡(jiǎn)單，是當(dāng)今最具有應(yīng)用前景的功率器件。

2.2 軟件設(shè)計(jì)
2.2.1 PIC單片機(jī)的設(shè)置
試驗(yàn)中設(shè)置SPWM的頻率為20 kHz，并外接20 MHz晶振信號(hào)，計(jì)算得指令周期即計(jì)時(shí)步階為0.2uS。PIC單片機(jī)CCP外圍功能模塊的PWM功能實(shí)現(xiàn)主要依靠相關(guān)寄存器值的設(shè)定，且以定時(shí)器2(TMR2)作為PWM的時(shí)基。相關(guān)寄存器的設(shè)置如下。

1)SPWM周期的設(shè)定由寄存器PR2設(shè)定(PWM)_周期=(PR2+1)×4×Tosc×(TMR2)_{預(yù)分頻}
(4)試驗(yàn)中Tosc 為20 MHz，為提高分辨率，TMR2預(yù)分頻設(shè)為1:1，由此計(jì)算得PR2=0XF9；

2)定時(shí)器TMR2的控制寄存器T2CON設(shè)定
因?yàn)镾PWM頻率高，周期短，在每個(gè)周期內(nèi)完成脈寬的調(diào)整比較困難，故在此寄存器中設(shè)置后分頻為1:3，這樣每輸出3個(gè)相同脈寬的SPWM波后改變一次脈寬值；
3)2個(gè)CCP模塊的控制寄存器CCP1CON及CCP2CON的設(shè)定兩個(gè)CCP模塊控制寄存器的設(shè)置類似，選擇CCP模塊作用于PWM功能模式，即bit3:0=11 XX。
4)CCPR1L脈寬寫入寄存器寫入的脈寬值在下個(gè)TMR2周期開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)至CCPR1H，通過(guò)讀CCPR1H的脈寬值來(lái)改變PWM脈寬。
5)寄存器TRISC 對(duì)應(yīng)于CCP1和CCP2的輸入輸出設(shè)置，應(yīng)設(shè)置為輸出形式，即TRISC的bit2:1=00。

2.2.2 SPWM波形產(chǎn)生的實(shí)現(xiàn)過(guò)程
軟件控制PIC單片機(jī)使之產(chǎn)生SPWM波形。首先將之前設(shè)置的寄存器值寫入相關(guān)寄存器，當(dāng)PIC的PWM功能開(kāi)啟后TMR2從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)CCP模塊引腳輸出高電平。
— 當(dāng)TMR2≥CCPR1L時(shí)，PWM功能引腳開(kāi)始輸出低電平。
— 當(dāng)TMR2≥PR2時(shí)，則TMR2=0，重新開(kāi)始另一個(gè)周期計(jì)數(shù)，PWM功能引腳開(kāi)始輸出高電平。同時(shí)TMR2的中斷標(biāo)志位被系統(tǒng)置高，即TMR2IF=1，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。
因?qū)嶒?yàn)中設(shè)置TMR2后分頻為1:3，故在3個(gè)PR2周期后程序才轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中查找脈寬表，將下一個(gè)脈寬值寫入寄存器CCPR1L中。下個(gè)周期輸出的PWM的脈寬即為剛寫入CCPR1L中的脈寬值，也就是說(shuō)脈寬的變化在中斷程序中實(shí)現(xiàn)，中斷程序流程如圖3所示。

圖3 中斷服務(wù)程序流程圖

程序中利用標(biāo)志位F實(shí)現(xiàn)SPWM輸出在CCP1和CCP2中的轉(zhuǎn)換。在F=1時(shí)，CCP1輸出PWM波形，CCP2設(shè)置輸出為0電平；在F=0時(shí)，CCP2輸出PWM波形，CCP1設(shè)置輸出為0電平。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
由PIC單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM波可由示波器測(cè)出。由于SPWM頻率為20kHz，程序中又設(shè)置每3個(gè)脈寬相等，故在示波器中不能清楚地看到脈寬從最小到最大的完整的變化過(guò)程。由PIC單片機(jī)的CCP1引腳輸出SPWM波形的一段如圖4所示。這段波形中的脈寬由窄逐漸變寬，符合SPWM的變化規(guī)律。

圖4 SPWM 波形的一段
試驗(yàn)中由PIC單片機(jī)的兩個(gè)CCP模塊產(chǎn)生兩路SPWM波，將這兩路SPWM波變換成4路后經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)逆變系統(tǒng)的IGBT。產(chǎn)生的兩路SPWM波形分別對(duì)應(yīng)正弦波的正負(fù)半波，完整周期的兩路SPWM互補(bǔ)波形如圖5所示。

圖5 兩路互補(bǔ)的SPWM波

試驗(yàn)系統(tǒng)在直流電壓為30V時(shí)負(fù)載運(yùn)行所得正弦波如圖6所示，可知周期為19.9ms，滿足工頻要求。

圖6 負(fù)載正弦波

試驗(yàn)系統(tǒng)為單相全橋逆變系統(tǒng)，這種工作模式有明顯的倍頻效應(yīng)。倍頻效應(yīng)有利濾波，也可以降低器件的開(kāi)關(guān)頻率，減小開(kāi)關(guān)損耗。又因?yàn)楸驹囼?yàn)系統(tǒng)采用面積等效法，相對(duì)于規(guī)則采樣法諧波抑制能力較強(qiáng)。諧波分析后可在低電壓時(shí)基本無(wú)偶次諧波，且所含奇次諧波幅值較小，能滿足UPS逆變系統(tǒng)對(duì)諧波的要求。

4 結(jié)語(yǔ)
本文介紹的基于PIC單片機(jī)的SPWM控制技術(shù)很好地把軟硬件技術(shù)結(jié)合在一起，針對(duì)規(guī)則采樣法諧波大的缺點(diǎn)，利用面積等效法較好地抑制了諧波。本文給出了具體的硬件試驗(yàn)系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì)，分析試驗(yàn)結(jié)果波形后表明此方法輸出諧波較小，在對(duì)輸出波形質(zhì)量要求較高的UPS逆變系統(tǒng)中有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。如今PIC單片機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電力電子技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快速的階段，這種軟硬件結(jié)合的控制技術(shù)在其它很多應(yīng)用領(lǐng)域也有較大的發(fā)展空間。