基于PIC單片機(jī)的SPWM控制技術(shù)

摘要：重點(diǎn)介紹了基于PIC單片機(jī)采用面積等效法產(chǎn)生SPWM控制波形的方法。通過具體試驗，由SPWM來控制IGBT逆變系統(tǒng)的運(yùn)行。最后給出了軟硬件結(jié)合設(shè)計方法，結(jié)合試驗結(jié)果波形進(jìn)行諧波分析。此方法在UPS的設(shè)計中有較強(qiáng)的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：PIC單片機(jī)；SPWM；面積等效法；諧波分析

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0    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(diǎn)。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(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，相對諧波較大且無法實(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，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(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軟件實(shí)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(jī)實(shí)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(qiáng)。又因為PIC單片機(jī)片內(nèi)無較大空間實(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。 {{分頁}}

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(jī)的ROM中，以供程序調(diào)用。

    脈寬產(chǎn)生的基本公式為

        δ_k=Msinωtdt=（1）

    SPWM開關(guān)點(diǎn)時刻公式為

    x_on=（2）

    x_off=（3）

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(shí)驗中N取64；

      k取值為0～63。

    由式（1）計算出的實(shí)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。 {{分頁}}

2    軟硬件結(jié)合試驗系統(tǒng)

    以PIC單片機(jī)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(bǔ)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(shí)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(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