基于PIC單片機的SPWM控制技術

摘要：重點介紹了基于PIC單片機采用面積等效法產生SPWM控制波形的方法。通過具體試驗，由SPWM來控制IGBT逆變系統的運行。最后給出了軟硬件結合設計方法，結合試驗結果波形進行諧波分析。此方法在UPS的設計中有較強的實用價值。

關鍵詞：PIC單片機；SPWM；面積等效法；諧波分析

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0    引言

    在UPS等電力電子設備中，控制方法是核心技術。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技術較好地克服了這些缺點。目前SPWM的產生方法很多，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，實現困難且不易改進；

    2）由SPWM專用芯片SA828系列與微處理器直接連接生成SPWM波，SA828是由規則采樣法產生SPWM波的，相對諧波較大且無法實現閉環控制；

    3）利用CPLD（復雜可編程邏輯器件）設計，實現數字式SPWM發生器；

    4）基于單片機實現SPWM，此方法控制電路簡單可靠，利用軟件產生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從單純依賴于51系列單片機向其它多種單片機發展，尤其以嵌入式PIC單片機的發展應用更為廣泛。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軟件實現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）對稱規則采樣法；

    3）不對稱規則采樣法；

    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單片機片內無較大空間實現在線運算，所以自然采樣法不利于軟件實現。本文的試驗系統采用面積等效法實現SPWM控制，其原理如圖1所示。 {{分頁}}

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周期內N個不同的脈寬值，將產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。

    脈寬產生的基本公式為

        δ_k=Msinωtdt=（1）

    SPWM開關點時刻公式為

    x_on=（2）

    x_off=（3）

式中：M為調制度；

      N為載波比，即半個周期內的脈沖個數，實驗中N取64；

      k取值為0～63。

    由式（1）計算出的實際脈寬轉換成計時步階后生成64個值的正弦表存入PIC的ROM中以供調用。產生的SPWM脈寬表是一個由窄到寬，再由寬到窄的64個值的表。 {{分頁}}

2    軟硬件結合試驗系統

    以PIC單片機內部的兩個外圍功能模塊（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，經隔離放大后驅動IGBT逆變器，實現對輸出的控制。

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有：

    1）具有高性能的RISCCPU；

    2）除程序分支指令為兩個周期外，其余均為單周期指令，且僅有35條單字指令；

    3）8K