單片機產(chǎn)生SPWM波在UPS電源中的應用

1　引言

　　隨著(zhù)信息技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機應用的日益普及，高新技術(shù)設備對供電質(zhì)量的要求越來(lái)越高，很多設備都要求電源能夠持續提供恒頻恒壓、無(wú)崎變的純正弦波交流電，不間斷電源UPS就是用來(lái)給這些設備供電的。UPS一般采用正弦脈寬調制（SPWM）的控制方法將直流電逆變成正弦波交流電。目前，SPWM控制波形的產(chǎn)生一般有三種方式：1、用分立元件電路產(chǎn)生，主要由三角波發(fā)生器、正弦波發(fā)生器和比較器組成。分立元件電路復雜，調試困難，成本高，可靠性差，因此一般很少采用。2、用專(zhuān)用集成芯片產(chǎn)生，專(zhuān)用集成芯片功能強大，輸出波形質(zhì)量高，應用比較廣泛。3、用單片機實(shí)現，現在許多單片機都具有產(chǎn)生SPWM波的功能，采用單片機可使電路簡(jiǎn)單可靠，而且還方便對系統其他數據參數的監控、顯示和處理，使整個(gè)系統的控制非常的方便。本文就是采用PIC16F73單片機產(chǎn)生SPWM波來(lái)控制UPS電源中的逆變系統的。

2　硬件電路設計

　　系統總體硬件框圖如圖1所示：電網(wǎng)輸入交流電經(jīng)整流濾波電路后，變成直流電壓，送入功率因數校正模塊（PFC），進(jìn)行功率因數校正，并同時(shí)進(jìn)行直流電壓調整，升壓到360V。另一方面，蓄電池輸出的48V直流電壓經(jīng)過(guò)蓄電池升壓電路后得到345V的直流高壓，這兩路直流高壓通過(guò)二極管并聯(lián)起來(lái)，供給橋式逆變電路。正常工作時(shí)，由市電整流所得直流給逆變器供電，而當市電異常時(shí)，則自動(dòng)切換到蓄電池供電。直流電經(jīng)過(guò)橋式逆變電路逆變后，再經(jīng)輸出濾波變成220V、50HZ純正弦波交流電，供給負載。

　　控制電路以 Microchip公司的PIC16F73單片機為核心。PIC單片機是采用RISC結構的高性?xún)r(jià)比嵌入式控制器，采取數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)分離的Harvard雙總線(xiàn)結構，具有很高的流水處理速度。

　　PIC16F73最高時(shí)鐘頻率為20MHZ，每條指令執行周期200ns，由于大多數指令執行時(shí)間為一個(gè)周期，因此速度相當快。其內含192字節的RAM ，4K程序存儲器、5路A/D轉換及2路PWM波發(fā)生器，應用時(shí)外圍電路極其簡(jiǎn)單，是理想的單相逆變電源數字控制器。

　　單片機通過(guò)內部軟件產(chǎn)生一路SPWM控制信號，然后經(jīng)過(guò)邏輯門(mén)變換電路變換成逆變全橋所需的四路驅動(dòng)信號，再經(jīng)專(zhuān)用驅動(dòng)芯片TLP250隔離放大后，分別加到逆變全橋四個(gè)IGBT的柵極，進(jìn)行驅動(dòng)控制。

　　為了提高輸出電壓的穩定性，本系統中采用了電壓反饋閉環(huán)。輸出電壓經(jīng)電阻分壓取樣后，由運算放大電路將電平轉換為單片機A/D轉換口所能接受的0～5V電壓信號，送入單片機A/D轉換口。軟件在運行過(guò)程中，會(huì )每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次A/D轉換，得到反饋電壓值，調整SPWM信號的脈寬，保證輸出電壓的穩定。

3　軟件設計

　　PIC16F73單片機內部含有兩個(gè)CCP模塊，都可以用來(lái)產(chǎn)生PWM波。對于PWM信號來(lái)說(shuō)，周期和脈寬是兩個(gè)必不可少的參數，PIC16F73單片機將PWM周期儲存在PR2寄存器中，而將PWM信號高電平時(shí)間值即脈寬值儲存在CCPR1L或CCPR2L寄存器中。內部定時(shí)器在計數過(guò)程中不斷與這兩個(gè)寄存器的值相比較，達到設定時(shí)間時(shí)輸出電平產(chǎn)生相應的變化，從而控制PWM信號的周期和占空比。

　　SPWM信號要求脈寬按正弦規律變化，因此每一個(gè)PWM周期脈寬都要改變，由單片機產(chǎn)生SPWM波的基本思想就是在初始化時(shí)將PWM周期值設定，然后用定時(shí)器定時(shí)，每個(gè)周期產(chǎn)生一次中斷，來(lái)調整脈寬，從而得到脈寬不斷變化的SPWM波。但實(shí)際上，SPWM頻率一般都很高，周期很短，要在每一個(gè)周期內都完成脈寬的調整比較困難。本系統中，SPWM周期為20KHZ,設置每六個(gè)周期改變一次脈寬，實(shí)際輸出SPWM信號經(jīng)濾波后所得正弦波如圖6所示，波形光滑無(wú)畸變，滿(mǎn)足精度要求。

　　在軟件設計中，將CCP2模塊作為PWM輸出口，CCP1模塊采用比較功能，單片機時(shí)鐘為20MHZ,計時(shí)步階0.2us。首先建立正弦表，在一個(gè)完整正弦周期中，采樣64個(gè)點(diǎn)，采樣點(diǎn)正弦值與正弦波峰值的比值就是該點(diǎn)SPWM信號的占空比。然后根據SPWM周期計算出各點(diǎn)的脈寬值，轉換成計時(shí)步階，做成正弦表，供CCP1中斷子程序調用。這64個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔也轉換成計時(shí)步階儲存到 CCPR1H和CCPR1L寄存器中，程序運行過(guò)程中， 計數器TIMER1不斷和這個(gè)寄存器的值相比較，達到設定值時(shí)CCP1產(chǎn)生中斷，TIMER1重新計時(shí)。中斷服務(wù)子程序用來(lái)修改SPWM信號的占空比，其流程圖如圖2所示。