PIC單片機設計的SPWM控制技術

本文采用軟硬件結合設計的方法，利用面積等效法，并且基于PIC單片機實現(xiàn)對試驗逆變系統(tǒng)的SPWM控制。

目前SPWM的產(chǎn)生方法很多，匯總如下:
1)利用分立元件，采用模擬、數(shù)字混和電路生成SPWM波。此方法電路復雜，實現(xiàn)困難且不易改進；
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(復雜可編程邏輯器件)設計，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。

在UPS等電力電子設備中，控制方法是核心技術。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技術較好地克服了這些缺點。 而當今單片機的應用已經(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。

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
(1)
SPWM開關點時刻公式為

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，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波利用互補導通原則變換成4路，經(jīng)隔離放大后驅動IGBT逆變器，實現(xiàn)對輸出的控制。
2.1 硬件設計
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RISC CPU；
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功能相關的定時器2(即TMR2)帶有8位周期寄存器，且?guī)в?位預分頻器和后分頻器。

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。它開關頻率相對高，驅動功率小，構成的功率交換器輸出電壓紋波小，線路簡單，是當今最具有應用前景的功率器件。

2.2 軟件設計
2.2.1 PIC單片機的設置
試驗中設置SPWM的頻率為20 kHz，并外接20 MHz晶振信號，計算得指令周期即計時步階為0.2uS。PIC單片機CCP外圍功能模塊的PWM功能實現(xiàn)主要依靠相關寄存器值的設定，且以定時器2(TMR2)作為PWM的時基。相關寄存器的設置如下。

1)SPWM周期的設定由寄存器PR2設定(PWM)_周期=(PR2+1)×4×Tosc×(TMR2)_預分頻
(4)試驗中Tosc 為20 MHz，為提高分辨率，TMR2預分頻設為1:1，由此計算得PR2=0XF9；

2)定時器TMR2的控制寄存器T2CON設定
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的設定兩個CCP模塊控制寄存器的設置類似，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TMR2周期開始時轉至CCPR1H，通過讀CCPR1H的脈寬值來改變PWM脈寬。
5)寄存器TRISC 對應于CCP1和CCP2的輸入輸出設置，應設置為輸出形式，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。首先將之前設置的寄存器值寫入相關寄存器，當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TMR2≥CCPR1L時，PWM功能引腳開始輸出低電平。
— 當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的中斷標志位被系統(tǒng)置高，即TMR2IF=1，轉去執(zhí)行中斷服務程序。
因實驗中設置TMR2后分頻為1:3，故在3個PR2周期后程序才轉去執(zhí)行中斷服務程序。在中斷服務程序中查找脈寬表，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 中斷服務程序流程圖

程序中利用標志位F實現(xiàn)SPWM輸出在CCP1和CCP2中的轉換。在F=1時，CCP1輸出PWM波形，CCP2設置輸出為0電平；在F=0時，CCP2輸出PWM波形，CCP1設置輸出為0電平。

3 試驗結果與分析
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)隔離驅動逆變系統(tǒng)的IGBT。產(chǎn)生的兩路SPWM波形分別對應正弦波的正負半波，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。倍頻效應有利濾波，也可以降低器件的開關頻率，減小開關損耗。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 結語
本文介紹的基于PIC單片機的SPWM控制技術很好地把軟硬件技術結合在一起，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)及軟件設計，分析試驗結果波形后表明此方法輸出諧波較小，在對輸出波形質量要求較高的UPS逆變系統(tǒng)中有較強的實用價值。如今PIC單片機應用越來越廣泛，電力電子技術發(fā)展越來越快速的階段，這種軟硬件結合的控制技術在其它很多應用領域也有較大的發(fā)展空間。