基于PIC單片機的SPWM控制技術(shù)

引言

    在UPS等電力電子設備中，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，匯總如下。

    1）利用分立元件，采用模擬、數字混和電路生成SPWM波。此方法電路復雜，實(shí)現困難且不易改進(jìn)；

    2）由SPWM專(zhuān)用芯片SA828系列與微處理器直接連接生成SPWM波，SA828是由規則采樣法產(chǎn)生SPWM波的，相對諧波較大且無(wú)法實(shí)現閉環(huán)控制；

    3）利用CPLD（復雜可編程邏輯器件）設計，實(shí)現數字式SPWM發(fā)生器；

    4）基于單片機實(shí)現SPWM，此方法控制電路簡(jiǎn)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。

    而當今單片機的應用已經(jīng)從單純依賴(lài)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(guò)軟件實(shí)現SPWM，且具有更快的執行速度。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(shí)現對試驗逆變系統的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(chēng)規則采樣法；

3）不對稱(chēng)規則采樣法；

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單片機片內無(wú)較大空間實(shí)現在線(xiàn)運算，所以自然采樣法不利于軟件實(shí)現。本文的試驗系統采用面積等效法實(shí)現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(gè)周期內N個(gè)不同的脈寬值，將產(chǎn)生的脈寬數列以列表形式存于PIC單片機的ROM中，以供程序調用。

    脈寬產(chǎn)生的基本公式為

式中：M為調制度；

N為載波比，即半個(gè)周期內的脈沖個(gè)數，實(shí)驗中N取64；

k取值為0～63。

    由式（1）計算出的實(shí)際脈寬轉換成計時(shí)步階后生成64個(gè)值的正弦表存入PIC的ROM中以供調用。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 軟硬件結合試驗系統

    以PIC單片機內部的兩個(gè)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(dòng)IGBT逆變器，實(shí)現對輸出的控制。

2.1 硬件設計

    試驗硬件系統如圖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(diǎn)有：

1）具有高性能的RISCCPU；

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