一種基于C8051單片機的SPWM波形實(shí)現方案

1 引言

　　正弦脈寬調制（SPWM）技術(shù)已在交流調速、直流輸電、變頻電源等領(lǐng)域得到廣泛應用，為了提高整個(gè)系統的控制效果，高性能SPWM脈沖形成技術(shù)一直是人們不斷探索的問(wèn)題。采用模擬電路和數字電路等硬件電路來(lái)產(chǎn)生SPWM波形是一種切實(shí)可行的方法，但是這種實(shí)現方法控制電路復雜、抗干擾能力差、實(shí)時(shí)調節較困難。近年來(lái)，人們提出了由單片機、DSP等微控制器來(lái)實(shí)現SPWM波形的數字控制方法[1][2]，由于微控制器內部集成了很多控制電路，比如定時(shí)器、PWM電路、可編程計數器陣列等，所以使得這種實(shí)現SPWM的方法具有控制電路簡(jiǎn)單、運行速度快、控制精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了一種利用C8051單片機實(shí)現輸出頻率可變SPWM波形的方法，并將由C8051F040產(chǎn)生的單極性SPWM波應用于單相頻率可調逆變電源，實(shí)驗結果證實(shí)了利用C8051實(shí)現SPWM波形的可行性和有效性。

2 SPWM技術(shù)原理

　　SPWM技術(shù)的基本原理是利用一個(gè)三角波載波和一個(gè)正弦波進(jìn)行比較，得到一個(gè)寬度按正弦規律變化的脈沖序列，用它們來(lái)驅動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)轉換。由微控制器來(lái)實(shí)現SPWM波形的方法有表格法、隨時(shí)計算法和實(shí)時(shí)計算法，但前兩種無(wú)實(shí)時(shí)處理能力[2]。采用實(shí)時(shí)計算法要有數學(xué)模型，其中一種較為常用的是采樣型SPWM法，它分為自然采樣法、對稱(chēng)規則采樣法和不對稱(chēng)規則采樣法。本文采用對稱(chēng)規則采樣法，即利用經(jīng)過(guò)采樣的正弦波（實(shí)際上是階梯波）與三角波相交，由交點(diǎn)得出脈沖寬度。圖1是典型的單極性對稱(chēng)規則采樣法，它只在三角波的峰值時(shí)刻采樣正弦調制波并將采樣值保持，分別取保持值和三角波交點(diǎn)作為脈沖寬度時(shí)間。圖中Ts為三角波的周期，同時(shí)也是采樣周期；Ur為三角波的高，正弦波為Ucsinωt。根據三角形相似關(guān)系，得到

　　所以

　　其中，M=Uc/Ur為調制比，t為采樣點(diǎn)（這里為頂點(diǎn)采樣）的時(shí)刻。則脈沖寬度為

　　采樣點(diǎn)時(shí)刻t只與載波比N有關(guān)。對于圖1情況有t=kTS+θ，其中k=0，1，2，…，N-1，θ=180/N度。

圖1 對稱(chēng)規則采樣法

　　在對稱(chēng)規則采樣情況下，只要知道采樣點(diǎn)時(shí)刻t就可以確定這個(gè)采樣周期內的脈沖寬度tpw和時(shí)間間隔toff，從而可以計算出SPWM波形高、低脈沖的寬度。

3 C8051實(shí)現SPWM波形的原理及算法

3.1 C8051F系列單片機PCA簡(jiǎn)介

　　C8051F系列單片機都具有一個(gè)可編程計數器陣列PCA，以C8051F040為例，PCA包含1個(gè)專(zhuān)用的16位計數器/定時(shí)器和6個(gè)16位捕捉/比較模塊，可以輸出6路PWM波形。如圖2所示，16位PCA專(zhuān)用計數器/定時(shí)器的時(shí)基信號可有多種選擇，可通過(guò)配置相關(guān)的系統控制器的特殊功能寄存器（SFR）來(lái)實(shí)現。每個(gè)捕捉/比較模塊有自己的I/O線(xiàn)CEXn，可通過(guò)配制交叉開(kāi)關(guān)寄存器（XBR0）將每個(gè)模塊的I/O線(xiàn)連接到端口I/O；每個(gè)模塊都可配制為獨立工作，有四種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸

圖2 PCA原理框圖