基于STC系列单片机的SPWM波形实现 最高的质量最低的成本——节省70%PCB返修成本 查看最近90天中添加的最新产品 最新电子元器件资料免费下载 派睿电子TI有奖问答 - 送3D汽车鼠标 IR推出采用焊前金属的汽车级绝缘栅双极晶体管 符合人体工程学的平衡器 全球电子连接器生产商—samtec 最新断路器保护套
摘要:文章在比较了多种生成SPWM波的技术基础上,给出了利用等效面积法来产生SPWM波形的工作原理,详细介绍了由单片机STCl2C5410AD的可编程计数器阵列PCA实现SPWM控制软件的编写过程,并给出了SPWM中断服务程序的流程图。将结果应用于由MICA421驱动器驱动的四个MOSFET器件FQAl60N08所组成的逆变桥上进行实际调试,实验结果表明,该方法具有电路简单、计算量小、实时性强的优点,采用在线计算和查表技术相结合,较好的解决了实时控制的要求,具有较好的应用价值。 0 引言 近年来,随着逆变电源在各行各业应用的日益广泛,采用正弦脉宽调制(SPWM)技术控制逆变电源提高整个系统的控制效果是人们不断探索的问题。对SPWM的控制有多种实现方法,其一是采用模拟电路、数字电路等硬件电路产生SPWM波形,该方法波形稳定准确,但电路复杂、体积庞大、不能进行自动调节;其二是借助单片机、DSP等微控制器来实现SPWM的数字控制方法,由于其内部集成了多个控制电路,如PWM电路、可编程计数器阵列(PCA)等,使得这种方法具有控制电路简单、运行速度快、抗干扰性强等优点。本文介绍一种利用STC系列单片机实现SPWM波形的方法,并将由STCl2C5410AD产生的单极性SPWM波应用于单相逆变电源,实验结果证明了利用其实现SPWM波形的可行性和有效性。 1 正弦脉宽调制技术SPWM SPWM控制方案有两种:即单极性调制和双极性调制法。单极性法所得的SPWM信号有正、负和0三种电平,而双极性得到的只有正、负两种电平。比较二者生成的SPWM波可知:在相同载波比情况下,生成的双极性SPWM波所含谐波量较大;并且在正弦逆变电源控制中,双极性SPWM波控制较复杂。因此一般采用单极性SPWM波控制的形式。 由单片机实现SPWM控制,根据其软件化方法的不同,有如下几种方法:自然采样法、对称规则法、不对称规则法和面积等效法等。理论分析发现面积等效法相对于其它方法而言,谐波较小,对谐波的抑制能力较强。而且实时控制简单,利于软件实现。因此本文采用面积等效法实现SPWM控制。
假设所需的输出正弦电压为U0=Umsinωt,式中:Um为正弦波幅值。利用面积等效法正弦波小块面积S1与对应脉冲面积S2相等的原则,将正弦波的正半周分为N等分,则每一等分的宽度为兀/N,计算出半个周期内N个不同的脉宽值。相关公式如下: 正弦波S1面积为:
式中:M为调制度。N为半个周期内的脉冲个数。综合考虑载波比、输出谐波等因素,在此N取60。由上式计算出的SPWM脉宽表是一个由窄到宽、再由宽到窄的60个值的正弦表,将其存入STC单片机的ROM中以供调用。 2 STC系列单片机生成SPWM波原理 2.1 STC系列单片机简介 STCl2系列单片机是美国STC公司在8051单片机标准的内核基础上改进推出的一个增强型功能的8051的单片机,从引脚到指令上完全与8051单片机兼容。最突出的特点就是其具有可编程计数器阵列PCA。以STCl2C5410AD为例,有四路可编程计数器阵列PCA/PWM。PCA含有一个特殊的16位定时器,有4个16位的捕获/比较模块与之相连。四个模块的公共时间基准由PCA定时器决定,可以通过PCA模式寄存器CMOD SFR的CPSl和CPS0位确定。每个模块可编程工作在4种模式下:上升/下降沿捕获、软件定时器、高速输出或PWM脉冲输出。文中SPWM生成功能主要靠PWM脉冲输出模式完成。图2即为PCA模块脉宽调节PWM输出模式框图。 在PCA PWM输出模式中,当CLSFR的值小于{EPCnL,CCAPnL}时,输出为低,当PCA CL SFR的值等于或大于{EPCnH,CCAPnH}时,输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时,{EPCnH,CCAPnH}的内容装载到{EPCnL,CCAPnL}中。这样就实现了无干扰的更新PWM。要使能PWM模式,模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。本文中,SPWM波形是综合使用了模块O的脉宽调节(PWM)模式和模块1的16位软件定时器模式,通过软件中断的形式实现的。 与此同时,STCl2C54lO单片机还具有快速A/D转换功能。有一个lO位精度、8路通道的A/D转换器。可以方便的对输入、输出的电压、电流进行监控和显示。 2.2 SPWM波生成方法 利用STC系列单片机产生SPWM波的基本原理是:将载波周期数值赋给PCA模块l的16位捕获/比较模块寄存器CCAPlH(高8位)和CCAPlL(低8位),PCA定时器的值CH(高八位)、CL(低八位)与模块捕获寄存器的值相比较,当两者相等时,产生PCA中断。在中断中,调用模块0的PWM脉宽调节模式,将下一个SPWM波的脉宽通过CCAP0H装载到CCAPOL中,这样就可以实现无干扰的更新PWM。
2.3 软件设计 程序编写采用KeilC51编程语言进行,整个程序由主程序和键盘中断子程序以及PCA中断子程序组成。主程序在系统初始化后进入SPwM脉宽计算程序,计算相应的脉冲宽度,形成正弦表格,等待中断标志位以响应不同的中断。由于SPWM波是不断输出的,必须将PCA中断级别设置为最高。一旦有PCA中断标志位,即转入执行其中断子程序。图4为PCA中断子程序流程图。在中断服务程序中,注意CCF1位和CF标志位均由硬件置位,但不能自动清零,必须在中断程序中由软件清零。 与此同时,系统可以响应键盘中断子程序,由键盘控制通过液晶显示屏监控输出电压、电流的变化情况等。 3 实验结果 根据上述设计思路及编写的软件,用MIC442l驱动器驱动四个MOSFET器件FQAl60N08组成的逆变桥上进行实际调试。图5为由单片机STCl2C5410输出的两路互补(有一定死区时间)单极性SPWM波。用这两路互补信号直接驱动芯片MIC4421,其输出信号再分别驱动逆变桥,经低通滤波后的波形如图6所示。 4 结束语 实验结果表明,此方法电路结构简单,硬件设计和软件编程切实可行。采用在线计算和查表技术相结合,较好的解决了实时控制的要求。同时采用单片机作为控制器件,不仅成本降低,而且调试方便,受外界干扰较小,有很好的实用性和可靠性。 |
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