基于PIC單片機的SPWM控制技術(shù)

引言

    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。目前SPWM的產(chǎn)生方法很多，匯總?cè)缦隆?

    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，相對諧波較大且無法實現(xiàn)閉環(huán)控制；

    3）利用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)字式SPWM發(fā)生器；

    4）基于單片機實現(xiàn)SPWM，此方法控制電路簡單可靠，利用軟件產(chǎn)生SPWM波，減輕了對硬件的要求，且成本低，受外界干擾小。

    而當(dāng)今單片機的應(yīng)用已經(jīng)從單純依賴于51系列單片機向其它多種單片機發(fā)展，尤其以嵌入式PIC單片機的發(fā)展應(yīng)用更為廣泛。PIC單片機含具有PWM功能的外圍功能模塊（CCP），利用此模塊更容易通過軟件實現(xiàn)SPWM，且具有更快的執(zhí)行速度。本文采用軟硬件結(jié)合設(shè)計的方法，利用面積等效法，并且基于PIC單片機實現(xiàn)對試驗?zāi)孀兿到y(tǒng)的SPWM控制。

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）對稱規(guī)則采樣法；

3）不對稱規(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于規(guī)則采樣法諧波較小，對諧波的抑制能力較強。又因為PIC單片機片內(nèi)無較大空間實現(xiàn)在線運算，所以自然采樣法不利于軟件實現(xiàn)。本文的試驗系統(tǒng)采用面積等效法實現(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，利用面積等效法計算出半個周期內(nèi)N個不同的脈寬值，將產(chǎn)生的脈寬數(shù)列以列表形式存于PIC單片機的ROM中，以供程序調(diào)用。

    脈寬產(chǎn)生的基本公式為

式中：M為調(diào)制度；

N為載波比，即半個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)，實驗中N取64；

k取值為0～63。

    由式（1）計算出的實際脈寬轉(zhuǎn)換成計時步階后生成64個值的正弦表存入PIC的ROM中以供調(diào)用。產(chǎn)生的SPWM脈寬表是一個由窄到寬，再由寬到窄的64個值的表。

2 軟硬件結(jié)合試驗系統(tǒng)

    以PIC單片機內(nèi)部的兩個外圍功能模塊（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波利用互補導(dǎo)通原則變換成4路，經(jīng)隔離放大后驅(qū)動IGBT逆變器，實現(xiàn)對輸出的控制。

2.1 硬件設(shè)計

    試驗硬件系統(tǒng)如圖2所示。選擇PIC單片機的中檔系列，該系列單片機的主要特點有：

1）具有高性能的RISCCPU；

2）除程序分支指令為兩個周期外，其余均為單周期指令，且僅有35條單字指令；

3）8K×14個FLASH程序存儲器，368×8個數(shù)據(jù)存儲器（RAM）字節(jié)；

4）中斷能力強，達(dá)到14個中斷源；

5）外圍功能模塊豐富，含2個16位寄存器的CCP模塊，具有PWM功能；

6）含3個定時器，其中與PWM功能相關(guān)的定時器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 硬件試驗系統(tǒng)

    逆變部分采用自關(guān)斷器件IGBT實現(xiàn)單相全橋逆變。IGBT是全控型電力電子器件，它的控制級為絕緣柵場效應(yīng)晶體管，輸出級為雙級功率晶體管，因而它具有兩者的優(yōu)點而克服了兩者的缺點。它開關(guān)頻率相對高，驅(qū)動功率小，構(gòu)成的功率交換器輸出電壓紋波小，線路簡單，是當(dāng)今最具有應(yīng)用前景的功率器件。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 PIC單片機的設(shè)置

    試驗中設(shè)置SPWM的頻率為20kHz，并外接20MHz晶振信號，計算得指令周期即計時步階為0.2μs。PIC單片機CCP外圍功能模塊的PWM功能實現(xiàn)主要依靠相關(guān)寄存器值的設(shè)定，且以定時器2（TMR2）作為PWM的時基。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）

試驗中Tosc為20MHz，為提高分辨率，TMR2預(yù)分頻設(shè)為1：1，由此計算得PR2=0XF9；

2）定時器TMR2的控制寄存器T2CON設(shè)定 因為SPWM頻率高，周期短，在每個周期內(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個相同脈寬的SPWM波后改變一次脈寬值；

3）2個CCP模塊的控制寄存器CCP1CON及CCP2CON的設(shè)定 兩個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=11ⅹⅹ。

4）CCPR1L脈寬寫入寄存器 寫入的脈寬值在下個TMR2周期開始時轉(zhuǎn)至CCPR1H，通過讀CCPR1H的脈寬值來改變PWM脈寬。

5）寄存器TRISC 對應(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)生的實現(xiàn)過程

    軟件控制PIC單片機使之產(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功能開啟后TMR2從0開始計數(shù)，同時CCP模塊引腳輸出高電平。

    當(dāng)TMR2≥CCPR1L時，PWM功能引腳開始輸出低電平。

    當(dāng)TMR2≥PR2時，則TMR2=0，重新開始另一個周期計數(shù)，PWM功能引腳開始輸出高電平。同時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)嶒炛性O(shè)置TMR2后分頻為1：3，故在3個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，將下一個脈寬值寫入寄存器CCPR1L中。下個周期輸出的PWM的脈寬即為剛寫入CCPR1L中的脈寬值，也就是說脈寬的變化在中斷程序中實現(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實現(xiàn)SPWM輸出在CCP1和CCP2中的轉(zhuǎn)換。在F=1時，CCP1輸出PWM波形，CCP2設(shè)置輸出為0電平；在F=0時，CCP2輸出PWM波形，CCP1設(shè)置輸出為0電平。

3 試驗結(jié)果與分析

    由PIC單片機產(chǎn)生的SPWM波可由示波器測出。由于SPWM頻率為20kHz，程序中又設(shè)置每3個脈寬相等，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程。由PIC單片機的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

    試驗中由PIC單片機的兩個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)動逆變系統(tǒng)的IGBT。產(chǎn)生的兩路SPWM波形分別對應(yīng)正弦波的正負(fù)半波，完整周期的兩路SPWM互補波形如圖5所示。

圖5 兩路互補的SPWM波

    試驗系統(tǒng)在直流電壓為30V時負(fù)載運行所得正弦波如圖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關(guān)頻率，減小開關(guān)損耗。又因為本試驗系統(tǒng)采用面積等效法，相對于規(guī)則采樣法諧波抑制能力較強。諧波分析后可在低電壓時基本無偶次諧波，且所含奇次諧波幅值較小，能滿足UPS逆變系統(tǒng)對諧波的要求。

4 結(jié)語

    本文介紹的基于PIC單片機的SPWM控制技術(shù)很好地把軟硬件技術(shù)結(jié)合在一起，針對規(guī)則采樣法諧波大的缺點，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系統(tǒng)及軟件設(shè)計，分析試驗結(jié)果波形后表明此方法輸出諧波較小，在對輸出波形質(zhì)量要求較高的UPS逆變系統(tǒng)中有較強的實用價值。如今PIC單片機應(yīng)用越來越廣泛，電力電子技術(shù)發(fā)展越來越快速的階段，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。