PIC單片機(jī)的SPWM控制技術(shù)介紹

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?br /> 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(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(jì)的方法，利用面積等效法，并且基于PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)?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?yàn)镻IC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(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

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IGBT逆變器，實(shí)現(xiàn)對輸出的控制。
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程序存儲器，368×8個(gè)數(shù)據(jù)存儲器(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。