基于PIC單片機的SPWM控制技術(shù)
引言 在UPS等電力電子設(shè)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。目前 SPWM的產(chǎn)生方法很多,匯總?cè)缦隆?1)利用分立元件,采用模擬、數(shù)字混和電路生成SPWM波。此方法電路復(fù)雜,實現(xiàn)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(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM波的,相對諧波較大且無法實現(xiàn)閉環(huán)控制; 3)利用CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)設(shè)計,實現(xiàn)數(shù)字式SPWM發(fā)生器; 4)基于單片機實現(xiàn)SPWM,此方法控制電路簡單可靠,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(yīng)用已經(jīng)從單純依賴于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(yīng)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(xiàn)SPWM,且具有更快的執(zhí)行速度。本文采用軟硬件結(jié)合設(shè)計的方法,利用面積等效法,并且基于PIC 單片機實現(xiàn)對試驗?zāi)孀兿到y(tǒng)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(guī)則采樣法; 3)不對稱規(guī)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(guī)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(nèi)無較大空間實現(xiàn)在線運算,所以自然采樣法不利于軟件實現(xiàn)。本文的試驗系統(tǒng)采用面積等效法實現(xiàn)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周期內(nèi)N個不同的脈寬值,將產(chǎn)生的脈寬數(shù)列以列表形式存于PIC單片機的ROM中,以供程序調(diào)用。 脈寬產(chǎn)生的基本公式為
式中:M為調(diào)制度; N為載波比,即半個周期內(nèi)的脈沖個數(shù),實驗中N取64; k取值為0~63。 由式(1)計算出的實際脈寬轉(zhuǎn)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(diào)用。產(chǎn)生的SPWM脈寬表是一個由窄到寬,再由寬到窄的64個值的表。 2 軟硬件結(jié)合試驗系統(tǒng) 以PIC單片機內(nèi)部的兩個外圍功能模塊(CCP)為基礎(chǔ),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(dǎo)通原則變換成4路,經(jīng)隔離放大后驅(qū)動IGBT逆變器,實現(xiàn)對輸出的控制。 2.1 硬件設(shè)計 試驗硬件系統(tǒng)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%26;#215;14個FLASH程序存儲器,368%26;#215;8個數(shù)據(jù)存儲器(RAM)字節(jié); 4)中斷能力強,達到14個中斷源; 5)外圍功能模塊豐富,含2個16位寄存器的CCP模塊,具有PWM功能; 6)含3個定時器,其中與PWM功能相關(guān)的定時器2(即TMR2)帶有8位周期寄存器,且?guī)в?位預(yù)分頻器和后分頻器。
圖2 硬件試驗系統(tǒng) 逆變部分采用自關(guān)斷器件IGBT實現(xiàn)單相全橋逆變。IGBT是全控型電力電子器件,它的控制級為絕緣柵場效應(yīng)晶體管,輸出級為雙級功率晶體管,因而它具有兩者的優(yōu)點而克服了兩者的缺點。它開關(guān)頻率相對高,驅(qū)動功率小,構(gòu)成的功率交換器輸出電壓紋波小,線路簡單,是當今最具有應(yīng)用前景的功率器件。 2.2 軟件設(shè)計 2.2.1 PIC單片機的設(shè)置 試驗中設(shè)置SPWM的頻率為20kHz,并外接20MHz晶振信號,計算得指令周期即計時步階為0.2μs。PIC單片機CCP外圍功能模塊的PWM功能實現(xiàn)主要依靠相關(guān)寄存器值的設(shè)定,且以定時器2(TMR2)作為PWM的時基。相關(guān)寄存器的設(shè)置如下。 1)SPWM周期的設(shè)定由寄存器PR2設(shè)定 (PWM)周期=(PR2+1)%26;#215;4%26;#215;Tosc%26;#215;(TMR2)預(yù)分頻(4) 試驗中Tosc為20MHz,為提高分辨率,TMR2預(yù)分頻設(shè)為1:1,由此計算得PR2=0XF9; 2)定時器TMR2的控制寄存器T2CON設(shè)定 因為SPWM頻率高,周期短,在每個周期內(nèi)完成脈寬的調(diào)整比較困難,故在此寄存器中設(shè)置后分頻為1:3,這樣每輸出3個相同脈寬的SPWM波后改變一次脈寬值; 3)2個CCP模塊的控制寄存器CCP1CON及CCP2CON的設(shè)定 兩個CCP模塊控制寄存器的設(shè)置類似,選擇CCP模塊作用于PWM功能模式,即bit3:0=11ⅹⅹ。 4)CCPR1L脈寬寫入寄存器 寫入的脈寬值在下個TMR2周期開始時轉(zhuǎn)至CCPR1H,通過讀CCPR1H的脈寬值來改變PWM脈寬。 5)寄存器TRISC 對應(yīng)于CCP1和CCP2的輸入輸出設(shè)置,應(yīng)設(shè)置為輸出形式,即TRISC的bit2:1=00。 2.2.2 SPWM波形產(chǎn)生的實現(xiàn)過程 軟件控制PIC單片機使之產(chǎn)生SPWM波形?首先將之前設(shè)置的寄存器值寫入相關(guān)寄存器,當PIC的PWM功能開啟后TMR2從0開始計數(shù),同時CCP模塊引腳輸出高電平。 當TMR2≥CCPR1L時,PWM功能引腳開始輸出低電平。 當TMR2≥PR2時,則TMR2=0,重新開始另一個周期計數(shù),PWM功能引腳開始輸出高電平。同時TMR2的中斷標志位被系統(tǒng)置高,即 TMR2IF=1,轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。 因?qū)嶒炛性O(shè)置TMR2后分頻為1:3,故在3個PR2周期后程序才轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中查找脈寬表,將下一個脈寬值寫入寄存器 CCPR1L中。下個周期輸出的PWM的脈寬即為剛寫入CCPR1L中的脈寬值,也就是說脈寬的變化在中斷程序中實現(xiàn),中斷程序流程如圖3所示。
圖3 中斷服務(wù)程序流程圖 程序中利用標志位F實現(xiàn)SPWM輸出在CCP1和CCP2中的轉(zhuǎn)換。在F=1時,CCP1輸出PWM波形,CCP2設(shè)置輸出為0電平;在F=0 時,CCP2輸出PWM波形,CCP1設(shè)置輸出為0電平。 3 試驗結(jié)果與分析 由PIC單片機產(chǎn)生的SPWM波可由示波器測出。由于SPWM頻率為20kHz,程序中又設(shè)置每3個脈寬相等,故在示波器中不能清楚地看到脈寬從最小到最大的完整的變化過程。由PIC單片機的CCP1引腳輸出SPWM波形的一段如圖4所示。這段波形中的脈寬由窄逐漸變寬,符合SPWM的變化規(guī)律。
圖4 SPWM波形的一段 試驗中由PIC單片機的兩個CCP模塊產(chǎn)生兩路SPWM波,將這兩路SPWM波變換成4路后經(jīng)隔離驅(qū)動逆變系統(tǒng)的IGBT。產(chǎn)生的兩路SPWM波形分別對應(yīng)正弦波的正負半波,完整周期的兩路SPWM互補波形如圖5所示。
圖5 兩路互補的SPWM波 試驗系統(tǒng)在直流電壓為30V時負載運行所得正弦波如圖6所示,可知周期為19.9ms,滿足工頻要求。
圖6 負載正弦波 試驗系統(tǒng)為單相全橋逆變系統(tǒng),這種工作模式有明顯的倍頻效應(yīng)。倍頻效應(yīng)有利濾波,也可以降低器件的開關(guān)頻率,減小開關(guān)損耗。又因為本試驗系統(tǒng)采用面積等效法,相對于規(guī)則采樣法諧波抑制能力較強。諧波分析后可在低電壓時基本無偶次諧波,且所含奇次諧波幅值較小,能滿足UPS逆變系統(tǒng)對諧波的要求。 4 結(jié)語 本文介紹的基于PIC單片機的SPWM控制技術(shù)很好地把軟硬件技術(shù)結(jié)合在一起,針對規(guī)則采樣法諧波大的缺點,利用面積等效法較好地抑制了諧波。本文給出了具體的硬件試驗系統(tǒng)及軟件設(shè)計,分析試驗結(jié)果波形后表明此方法輸出諧波較小,在對輸出波形質(zhì)量要求較高的UPS逆變系統(tǒng)中有較強的實用價值。如今PIC單片機應(yīng)用越來越廣泛,電力電子技術(shù)發(fā)展越來越快速的階段,這種軟硬件結(jié)合的控制技術(shù)在其它很多應(yīng)用領(lǐng)域也有較大的發(fā)展空間。