基于PIC单片机的SPWM控制技术.doc

基于PIC单片机的SPWM控制技术作者：陈晓萍，王念春，马玉龙 摘要：重点介绍了基于PIC单片机采用面积等效法产生SPWM控制波形的方法。通过具体试验，由SPWM来控制IGBT逆变系统的运行。最后给出了软硬件结合设计方法，结合试验结果波形进行谐波分析。此方法在UPS的设计中有较强的实用价值。关键词：PIC单片机；SPWM；面积等效法；谐波分析 中图分类号: 文献标识码: 文章编号： 0 引言 在UPS等电力电子设备中，控制方法是核心技术。早期的控制方法使得输出为矩形波，谐波含量较高，滤波困难。SPWM技术较好地克服了这些缺点。目前SPWM的产生方法很多，汇总如下。 1）利用分立元件，采用模拟、数字混和电路生成SPWM波。此方法电路复杂，实现困难且不易改进； 2）由SPWM专用芯片SA828系列与微处理器直接连接生成SPWM波，SA828是由规则采样法产生SPWM波的，相对谐波较大且无法实现闭环控制； 3）利用CPLD（复杂可编程逻辑器件）设计，实现数字式SPWM发生器； 4）基于单片机实现SPWM，此方法控制电路简单可靠，利用软件产生SPWM波，减轻了对硬件的要求，且成本低，受外界干扰小。 而当今单片机的应用已经从单纯依赖于51系列单片机向其它多种单片机发展，尤其以嵌入式PIC单片机的发展应用更为广泛。PIC单片机含具有PWM功能的外围功能模块（CCP），利用此模块更容易通过软件实现SPWM，且具有更快的执行速度。本文采用软硬件结合设计的方法，利用面积等效法，并且基于PIC单片机实现对试验逆变系统的SPWM控制。 1 面积等效的SPWM控制算法 目前生成SPWM波的控制算法主要有4种。 1）自然采样法； 2）对称规则采样法； 3）不对称规则采样法； 4)面积等效法。 理论分析后知自然采样法和面积等效法相对于规则采样法谐波较小，对谐波的抑制能力较强。又因为PIC单片机片内无较大空间实现在线运算，所以自然采样法不利于软件实现。本文的试验系统采用面积等效法实现SPWM控制，其原理如图1所示。 图1 SPWM面积等效算法 利用正弦波小块面积S1与脉冲面积S2相等原则，将正弦波的正半周分为N等分，则每一等分的宽度为/N弧度，利用面积等效法计算出半个周期内N个不同的脉宽值，将产生的脉宽数列以列表形式存于PIC单片机的ROM中，以供程序调用。 脉宽产生的基本公式为 k=Msintdt=（1） SPWM开关点时刻公式为 xon=（2） xoff=（3） 式中：M为调制度； N为载波比，即半个周期内的脉冲个数，实验中N取64； k取值为063。 由式（1）计算出的实际脉宽转换成计时步阶后生成64个值的正弦表存入PIC的ROM中以供调用。产生的SPWM脉宽表是一个由窄到宽，再由宽到窄的64个值的表。 2 软硬件结合试验系统 以PIC单片机内部的两个外围功能模块（CCP）为基础，利用该模块具有的PWM功能，软件控制两路SPWM波形的输出。再将这两路SPWM波利用互补导通原则变换成4路，经隔离放大后驱动IGBT逆变器，实现对输出的控制。 2.1 硬件设计 试验硬件系统如图2所示。选择PIC单片机的中档系列，该系列单片机的主要特点有： 1）具有高性能的RISCCPU； 2）除程序分支指令为两个周期外，其余均为单周期指令，且仅有35条单字指令； 3）8K14个FLASH程序存储器，3688个数据存储器（RAM）字节； 4）中断能力强，达到14个中断源； 5）外围功能模块丰富，含2个16位寄存器的CCP模块，具有PWM功能； 6）含3个定时器，其中与PWM功能相关的定时器2（即TMR2）带有8位周期寄存器，且带有8位预分频器和后分频器。 图2 硬件试验系统 逆变部分采用自关断器件IGBT实现单相全桥逆变。IGBT是全控型电力电子器件，它的控制级为绝缘栅场效应晶体管，输出级为双级功率晶体管，因而它具有两者的优点而克服了两者的缺点。它开关频率相对高，驱动功率小，构成的功率交换器输出电压纹波小，线路简单，是当今最具有应用前景的功率器件。 2.2 软件设计 2.2.1 PIC单片机的设置 试验中设置SPWM的频率为20kHz，并外接20MHz晶振信号，计算得指令周期即计时步阶为0.2s。PIC单片机CCP外围功能模块的PWM功能实现主要依靠相关寄存器值的设定，且以定时器2（TMR2）作为PWM的时基。相关寄存器的设置如下。 1）SPWM周期的设定由寄存器PR2设定 (PWM)周期=（PR21）4Tosc（TMR2）预分频（4） 试验中Tosc为20MHz，为提高分辨率，TMR2预分频设为1：1，由此计算得PR2=0XF9； 2）定时器TMR2的控制寄存器T2CON设定 因为SPWM频率高，周期短，在每个周期内完成脉宽的调整比较困难，故在此寄存器中设置后分频为1：3，这样每输出3个相同脉宽的SPWM波后改变一次脉宽值； 3）2个CCP模块的控制寄存器CCP1CON及CCP2CON的设定 两个CCP模块控制寄存器的设置类似，选择CCP模块作用于PWM功能模式，即bit3：0=11。 4）CCPR1L脉宽写入寄存器 写入的脉宽值在下个TMR2周期开始时转至CCPR1H，通过读CCPR1H的脉宽值来改变PWM脉宽。 5）寄存器TRISC 对应于CCP1和CCP2的输入输出设置，应设置为输出形式，即TRISC的bit2：1=00。 2.2.2 SPWM波形产生的实现过程 软件控制PIC单片机使之产生SPWM波形?首先将之前设置的寄存器值写入相关寄存器，当PIC的PWM功能开启后TMR2从0开始计数，同时CCP模块引脚输出高电平。 当TMR2CCPR1L时，PWM功能引脚开始输出低电平。 当TMR2PR2时，则TMR2=0，重新开始另一个周期计数，PWM功能引脚开始输出高电平。同时TMR2的中断标志位被系统置高，即TMR2IF=1，转去执行中断服务程序。 因实验中设置TMR2后分频为1：3，故在3个PR2周期后程序才转去执行中断服务程序。在中断服务程序中查找脉宽表，将下一个脉宽值写入寄存器CCPR1L中。下个周期输出的PWM的脉宽即为刚写入CCPR1L中的脉宽值，也就是说脉宽的变化在中断程序中实现，中断程序流程如图3所示。 图3 中断服务程序流程图 程序中利用标志位F实现SPWM输出在CCP1和CCP2中的转换。在F=1时，CCP1输出PWM波形，CCP2设置输出为0电平；在F=0时，CCP2输出PWM波形，CCP1设置输出为0电平。 3 试验结果与分析 由PIC单片机产生的SPWM波可由示波器测出。由于SPWM频率为20kHz，程序中又设置每3个脉宽相等，故在示波器中不能清楚地看到脉宽从最小到最大的完整的变化过程。由PIC单片机的CCP1引脚输出SPWM波形的一段如图4所示。这段波形中的脉宽由窄逐渐变宽，符合SPWM的变化规律。 图4 SPWM波形的一段 试验中由PIC单片机的两个CCP模块产生两路SPWM波，将这两路SPWM波变换成4路后经隔离驱动逆变系统的IGBT。产生的两路SPWM波形分别对应正弦波的正负半波，完整周期的两路SPWM互补波形如图5所示。 图5 两路互补的SPWM波 试验系统在直流电压为30V时负载运行所得正弦波如图6所示，可知周期为19.9ms，满足工频要求。 图6 负载正弦波 试验系统为单相全桥逆变系统，这种工作模式有明显的倍频效应。倍频效应有利滤波，也可以降低器件的开关频率，减小开关损耗。又因为本试验系统采用面积等效法，相对于规则采样法谐波抑制能力较强。谐波分析后可在低电压时基本无偶次谐波，且所含奇次谐波幅值较小，能满足UPS逆变系统对谐波的要求。 4 结语 本文介绍的基于PIC单片机的SPWM控制技术很好地把软硬件技术结合