基于單片機的SPWM波形產(chǎn)生器設計

1、湖南工程學院課 程 設 計課程名稱 單片機課程設計 課題名稱 基于單片機的SPWM波形產(chǎn)生器設計 專 業(yè) 電子科學與技術(shù) 班 級 1002 班 指導教師 李 延 平 2013 年 5 月 13 日湖南工程學院課 程 設 計 任 務 書課程名稱 單片機課程設計 課 題 基于單片機SPWM波形產(chǎn)生器 專業(yè)班級 電子科學技術(shù) 學生姓名 指導老師 李 延 平 審 批 任務書下達日期 2013 年 5 月 13 日任務完成日期 2013 年 5 月 24 日設計內(nèi)容與設計要求設計內(nèi)容：(1)使用51系列設計一個簡單SPWM波形產(chǎn)生器；(2)在設計過程中，使用仿真軟件Proteus 等進行仿真調(diào)試；(3)

2、在單片機開發(fā)板上實現(xiàn)設計功能。設計要求：(1) 能通過按鍵調(diào)整輸出頻率;(2) SPWM的載波頻率為2KHZ;主 要 設 計 條 件1、 PC機2、 單片機開發(fā)板說 明 書 格 式1、 封面2、 課程設計任務書3、 目錄4、 系統(tǒng)總體方案設計5、 系統(tǒng)硬件設計6、 軟件設計（包括流程圖）7、 系統(tǒng)的安裝調(diào)試說明8、 總結(jié) 9、參考文獻10、附錄11、課程設計成績評分表。 進 度 安 排第一周 星期一 上午 安排任務、講課。 星期一 下午- 星期二 下午 查資料、設計星期三開始 軟件設計仿真第二周 星期一至星期四 1、調(diào)試驗收2、寫課程設計報告書 星期五 答辯地 點：嵌入式微處理器及SOPC實驗

3、室參 考 文 獻1 謝維成楊加國. 單片機原理與應用及C5 1 程序設計(第二版) M.北京: 清華大學出版社， 2009. 7.2 譚浩強. C 程序設計(第三版) M. 北京: 清華大學出版社， 2005.3趙亮. 單片機C 語音編程與實例M. 北京: 人民郵出版社， 2009.目錄一、緒論1二、SPWM的基本原理21、常見SPWM信號產(chǎn)生方法22、正弦脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM22.1對稱規(guī)則采樣法32.2 不對稱規(guī)則采樣法42.3 等效面積法52.3 STC系列單片機生成SPWM波原理6三、單片機AT89C52簡介7四、設計思路與總體框圖8五、系統(tǒng)設計分析9六、程序調(diào)試與仿真10七、實驗結(jié)果

4、分析與總結(jié)11八、心得體會11九、參考文獻13一、緒論電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)的發(fā)展使得正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM) 在電氣傳動、UPS 電源等領域得到廣泛的應用。隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是單片機功能的日益強大和單片機技術(shù)的日益成熟，使得以前需要昂貴的專用SPWM芯片產(chǎn)生SPWM，現(xiàn)在用單片機產(chǎn)生SPWM已成為可能。而當今單片機的應用已經(jīng)從單純依賴于51系列單片機向其它多種單片展，尤其以嵌入式PIC單片機的發(fā)展應用更為廣泛。正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)已在交流調(diào)速、直流輸電、變頻電源等領域得到廣泛應用，為了提高整個系統(tǒng)的控制效果，高性能SPWM 脈沖形成技術(shù)一直是人們不斷探索的課題

5、。采用模擬電路和數(shù)字電路等硬件電路來產(chǎn)生SPWM波形是一種切實可行的方法，但是這種實現(xiàn)方法控制電路復雜、抗干擾能力差、實時調(diào)節(jié)較困難。近年來，人們提出了由單片機、DSP等微控制器來實現(xiàn)SPWM波形的數(shù)字控制方法，由于微控制器內(nèi)部集成了很多控制電路，比如定時器、PWM 電路、可編程計數(shù)器陣列等，所以使得這種實現(xiàn)SPWM 的方法具有控制電路簡單、運行速度快、控制精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點。本文介紹了一種利用C8O51單片機實現(xiàn)輸出頻率可變SPWM 波形的方法。SPWM 技術(shù)的基本原理是利用一個三角波載波和一個正弦波進行比較，得到一個寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，用它們來驅(qū)動逆變器開關管的開關轉(zhuǎn)換。

6、在本課題里對目前產(chǎn)生SPWM的各種算法進行比較和研究。選擇一種合適的算法面積等效法來實現(xiàn)正弦波脈寬調(diào)制，同時對當前最有前途的功率器件絕緣柵雙極晶體管IGBT的性能，保護電路和驅(qū)動電路進行了探討。在系統(tǒng)中采用面積等效算法，利用51單片機為控制核心產(chǎn)生SPWM波，經(jīng)過保護、隔離、驅(qū)動電路后的SPWM波，控制單相全橋逆變電路產(chǎn)生一個頻率和電壓都可調(diào)的交流輸出，經(jīng)濾波電路后供給負載使用。文章在比較了多種生成SPWM波的技術(shù)基礎上，給出了利用等效面積法來產(chǎn)生SPWM波形的工作原理，并給出了SPWM中斷服務程序的流程圖。將結(jié)果應用于由MICA421驅(qū)動器驅(qū)動的四個MOSFET器件FQAl60N08所組成的

7、逆變橋上進行實際調(diào)試，實驗結(jié)果表明，該方法具有電路簡單、計算量小、實時性強的優(yōu)點，采用在線計算和查表技術(shù)相結(jié)合，較好的解決了實時控制的要求，具有較好的應用價值。二、SPWM的基本原理近年來，隨著逆變電源在各行各業(yè)應用的日益廣泛，采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)控制逆變電源提高整個系統(tǒng)的控制效果是人們不斷探索的問題。對SPWM的控制有多種實現(xiàn)方法，其一是采用模擬電路、數(shù)字電路等硬件電路產(chǎn)生SPWM波形，該方法波形穩(wěn)定準確，但電路復雜、體積龐大、不能進行自動調(diào)節(jié)；其二是借助單片機、DSP等微控制器來實現(xiàn)SPWM的數(shù)字控制方法，由于其內(nèi)部集成了多個控制電路，如PWM電路、可編程計數(shù)器陣列(PCA)等

8、，使得這種方法具有控制電路簡單、運行速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。本文介紹一種利用STC系列單片機實現(xiàn)SPWM波形的方法， 1、常見SPWM信號產(chǎn)生方法方案一：模擬調(diào)制器法。該方法由正弦調(diào)制波發(fā)生電路、三角載波發(fā)生電路和模擬電壓比較器三部分組成。而這種控制電路要實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓都離不開CPU、EPROM、AD、DA轉(zhuǎn)換器等。所以該電路復雜、器件分散性大、可靠性差。方案二：專用芯片法。如英國Mulend公司的HEF4752和德國西門子公司的SLE4520等。該方法的優(yōu)點是電路集成度高、可靠性高，缺點是無法全面實現(xiàn)對調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制、監(jiān)視管理和保護工作，故一般也要配合單片機實現(xiàn)。方案三：軟件生成法。該

9、方法要考慮指令功能、存儲容量和運算速度是否影響實時性，采用89C51單片機查表法生成SPWM控制脈沖列的方法。2、正弦脈寬調(diào)制技術(shù)SPWMSPWM控制方案有兩種：即單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制法。單極性法所得的SPWM信號有正、負和0三種電平，而雙極性得到的只有正、負兩種電平。比較二者生成的SPWM波可知：在相同載波比情況下，生成的雙極性SPWM波所含諧波量較大；并且在正弦逆變電源控制中，雙極性SPWM波控制較復雜。因此一般采用單極性SPWM波控制的形式。由單片機實現(xiàn)SPWM控制，根據(jù)其軟件化方法的不同，有如下幾種方法：自然采樣法、對稱規(guī)則法、不對稱規(guī)則法和面積等效法等。理論分析發(fā)現(xiàn)面積等效法相對于

10、其它方法而言，諧波較小，對諧波的抑制能力較強。而且實時控制簡單，利于軟件實現(xiàn)。因此本文采用面積等效法實現(xiàn)SPWM控制。2.1對稱規(guī)則采樣法對稱規(guī)則采樣法是從自然采樣法演變而來的，它由經(jīng)過采樣的正弦波（實際上是階梯波）與三角波相交，由交點得出脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點或底點位置對正弦波采樣而形成階梯波。對稱規(guī)則采樣法原理圖如圖2-1所示。若以單位量1代表三角載波的幅值Uc，則正弦調(diào)制波的幅值Ur 就是調(diào)制比a。圖中的三角波和正弦波都是經(jīng)過向上平移單位量1 得到的，與過橫坐標軸得到的結(jié)果一致。圖2-1 生成SPWM波形的規(guī)則采樣法利用底點采樣，根據(jù)相似三角形原理，可得如下關系式：式中：a

11、是調(diào)制比，；為正弦信號波角頻率；為在三角波的負峰對正弦信號波的采樣時刻；是A 相開通時刻脈沖寬度；Tc 為三角波載波周期。因此可得A 相開通時刻的脈沖寬度： （k=0，1,2，··········，N-1）式中：N為載波比，2 / N三角波周期Tc所對應的弧度，K為一個周期內(nèi)采樣計數(shù)值。由以上分析得比較單元 1 的比較寄存器的值為（以A 相為例）：（ 為EVA 通用定時器1 的時鐘周期）2.2 不對稱規(guī)則采樣法不對稱規(guī)則采樣法采用在每個載波周期采樣兩次，即在三角波的頂點位置采樣，又在三角波的底點

12、位置采樣，這樣形成的階梯波與正弦波的逼近程度會大大提高。不對稱規(guī)則采樣法生成SPWM 的原理圖如圖2-2所示。圖2-2 不對稱規(guī)則采樣法生成SPWM的原理圖根據(jù)相似三角形原理，可得如下關系式：，式中：為在三角波的正峰值對正弦信號波的采樣時刻， 為在三角波的負峰值對正弦信號波的采樣時刻；'+是A 相開通時刻脈沖寬度；Tc為三角波載波周期。因此可得A 相開通時刻的脈沖寬度： （ k=0,1,2··········N-1） （2k 為一個周期內(nèi)采樣計數(shù)值）由以上分析得比較單元 1 的比較寄存器

13、的值為：s CMPR1 = T1PR ('+) / 2T （為EVA 通用定時器1的時鐘周期）2.3 等效面積法在采樣控制理論有中一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。正弦脈寬調(diào)制的基本原理就是按面積相等的原則構(gòu)成與正弦等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形。其原理圖如圖2-3生成SPWM 波形的等效面積法。若以單位量 1 代表矩形脈沖的幅值Uc，則正弦調(diào)制波的幅值Um 就是調(diào)制比a。圖2-3為SPWM面積等效法原理示意圖假設所需的輸出正弦電壓為U0=Umsint，式中：Um為正弦波幅值。利用面積等效法正弦波小塊面積S1與對應脈沖面積S2相等的

14、原則，將正弦波的正半周分為N等分，則每一等分的寬度為兀N，計算出半個周期內(nèi)N個不同的脈寬值。相關公式如下：正弦波S1面積為：逆變器輸入直流電壓為UD，脈沖面積S2與S1相等，所以第k個區(qū)間的脈沖寬度k式中：M為調(diào)制度。N為半個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)。綜合考慮載波比、輸出諧波等因素，在此N取60。由上式計算出的SPWM脈寬表是一個由窄到寬、再由寬到窄的60個值的正弦表，將其存入STC單片機的ROM中以供調(diào)用。2.3 STC系列單片機生成SPWM波原理3-1 STC系列單片機簡介STCl2系列單片機是美國STC公司在8051單片機標準的內(nèi)核基礎上改進推出的一個增強型功能的8051的單片機，從引腳到指令上

15、完全與8051單片機兼容。最突出的特點就是其具有可編程計數(shù)器陣列PCA。以STCl2C5410AD為例，有四路可編程計數(shù)器陣列PCAPWM。PCA含有一個特殊的16位定時器，有4個16位的捕獲比較模塊與之相連。四個模塊的公共時間基準由PCA定時器決定，可以通過PCA模式寄存器CMOD SFR的CPSl和CPS0位確定。每個模塊可編程工作在4種模式下：上升下降沿捕獲、軟件定時器、高速輸出或PWM脈沖輸出。文中SPWM生成功能主要靠PWM脈沖輸出模式完成。在PCA PWM輸出模式中，當CLSFR的值小于EPCnL，CCAPnL時，輸出為低，當PCA CL SFR的值等于或大于EPCnH，CCAPn

16、H時，輸出為高。當CL的值由FF變?yōu)?0溢出時，EPCnH，CCAPnH的內(nèi)容裝載到EPCnL，CCAPnL中。這樣就實現(xiàn)了無干擾的更新PWM。要使能PWM模式，模塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位。本文中，SPWM波形是綜合使用了模塊O的脈寬調(diào)節(jié)(PWM)模式和模塊1的16位軟件定時器模式，通過軟件中斷的形式實現(xiàn)的。3-2 SPWM波生成方法利用STC系列單片機產(chǎn)生SPWM波的基本原理是：將載波周期數(shù)值賦給PCA模塊l的16位捕獲比較模塊寄存器CCAPlH(高8位)和CCAPlL(低8位)，PCA定時器的值CH(高八位)、CL(低八位)與模塊捕獲寄存器的值相比較，當兩者相等

17、時，產(chǎn)生PCA中斷。在中斷中，調(diào)用模塊0的PWM脈寬調(diào)節(jié)模式，將下一個SPWM波的脈寬通過CCAP0H裝載到CCAPOL中，這樣就可以實現(xiàn)無干擾的更新PWM。三、單片機AT89C52簡介圖3-1 AT89C52的管腳圖AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT8

18、9C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。兼容MCS51指令系統(tǒng) · 8k可反復擦寫(>1000次）Flash ROM · 32個雙向I/O口 · 256x8bit內(nèi)部RAM · 3個16位可編程定時/

19、計數(shù)器中斷 · 時鐘頻率0-24MHz · 2個串行中斷 · 可編程UART串行通道 · 2個外部中斷源 · 共6個中斷源 · 2個讀寫中斷口線 3級加密位 · 低功耗空閑和掉電模式 · 軟件設置睡眠和喚醒功能 四、設計思路與總體框圖主程序流程如圖4所示，在系統(tǒng)初始化過后首先通過鍵盤設置輸出頻率，然后進入SPWM脈寬計算程序，根據(jù)所設置頻率選擇調(diào)制比N，計算脈寬并確定max。在SPWM輸出程序中，對PCA特殊功能寄存器進行設置并啟動計數(shù)器運行，開始輸出SPWM波形。在中斷服務程序中，首先根據(jù)CCFn的值來判斷發(fā)生匹

20、配的捕捉/比較模塊，然后根據(jù)該模塊CEX引腳上的電平狀態(tài)判斷是將SPWM波形的高電平脈寬值還是低電平脈寬值累加到捕捉/比較模塊寄存器上；同時，根據(jù)脈寬數(shù)據(jù)指針與max是否相等來確定一個SPWM周期的結(jié)束和下一個周期的開始，以便正確載入對應數(shù)據(jù)。當載波比N發(fā)生變化時，max的值會發(fā)生變化。應該注意的一點是，CCFn位和CF位（計數(shù)器/定時器溢出標志）由硬件置位，但不能由硬件自動清0，必須在中斷程序中用軟件清0。圖4 SPWM的波形發(fā)生器的設計框圖五、系統(tǒng)設計分析 由于硬件原因，任何微控制器都不能輸出寬度無限小的脈沖，這就使得理想SPWM脈沖序列中小于一定寬度的窄脈沖不能正常輸出，即最小脈沖問題。

21、對于AT89C52單片機，它的PCA所能輸出的最小脈沖取決于其中斷服務程序執(zhí)行的時間，所以其最小脈沖問題不容忽視。解決該問題的具體方法有：采用匯編語言編寫中斷服務子程序并且應用最精簡省時的指令，減 小最小脈沖的寬度；在計算SPWM波脈沖寬度時，對寬度小于PCA所能輸出最小寬度的脈沖進行修正，使它們的寬度為最小脈沖的寬度；限制調(diào)制比M，使SPWM脈沖序列中不會含有過多的小脈沖。六、程序調(diào)試與仿真根據(jù)程序設計的原理圖進行仿真和調(diào)試，其SPWM的仿真圖如圖6-1所示，按鍵K1可以改變正弦的頻率，按1下表示輸出正弦頻率為20Hz；按2下表示輸出正弦頻率為40Hz；按3下表示輸出正弦頻率為50Hz；按3

22、下表示輸出正弦頻率為80Hz；按5下表示輸出正弦頻率為100Hz。（不在原基礎上增加）圖6-1 SPWM的仿真圖仿真波形如圖6-2所示，藍色的波代表濾波之前的SPWM的波形圖，黃色的波代表經(jīng)濾波后得到的正弦波。圖6-2 SPWM的仿真圖（藍色代表濾波前，黃色代表濾波后）七、實驗結(jié)果分析與總結(jié)1、誤差分析：頻率偏差原因：在定時器中斷服務程序中查表賦定時的初值，占用時間較多，導致定時不準確；另外，測試儀器本身存在測量誤差。波形失真原因：濾波器可能設計不是很好，導致出來的波形不是那么的平滑，單片機系統(tǒng)存在最小脈沖的限制，還有各種因數(shù)都會導致波形失真。2、總結(jié)利用AT89C52單片機產(chǎn)SPWM波形是一

23、種簡單易行的方法，具有運算精度高、實時調(diào)節(jié)性強的特點。同時，通過改變SPWM波脈寬計算的方法，可以方便地實現(xiàn)雙極性SPWM波形。因而，這種方法適合于對輸出SPWM波形的極性、路數(shù)和頻率有不同要求的場合。八、心得體會本單片機課程設計是要設計基于單片機的SPWM波形產(chǎn)生器設計,剛開始接觸這門課題，毫無頭緒，甚至不知道如何下手，這學期才剛開單片機這門課程，對匯編語言不是很熟悉，C語言大一的時候?qū)W過，但也學得不是很深，只是能簡單的運用，更別提自己編程了，大三了，也接觸到了匯編語言，單片機編程可以用C語言或者匯編語言，面對SPWM，我都不知道這是什么意思，經(jīng)網(wǎng)上查詢，才知道這是正弦脈沖調(diào)制的意思，在進行

24、脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。通過在網(wǎng)上查找一些資料，基本明白要干一些什么事了，要實現(xiàn)SPWM有三種方法，一是：模擬調(diào)制器法。該方法由正弦調(diào)制波發(fā)生電路、三角載波發(fā)生電路和模擬電壓比較器三部分組成。而這種控制電路要實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓都離不開CPU、EPROM、AD、DA轉(zhuǎn)換器等。所以該電路復雜、器件分散性大、可靠性差。二是：專用芯片法。該方法的優(yōu)點是電路集成度高、可靠性高，缺點是無法全

25、面實現(xiàn)對調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制、監(jiān)視管理和保護工作，故一般也要配合單片機實現(xiàn)。三是：軟件生成法。該方法要考慮指令功能、存儲容量和運算速度是否影響實時性，采用89C51單片機查表法生成SPWM控制脈沖列的方法。剛開始在考慮用第一種方案，用一個正弦波和一個三角波進行比較，得到不同脈寬的方波信號，因為條件有限，缺乏A/D轉(zhuǎn)換器，這個方案被擱淺，然后在老師的點撥下，綜合考慮，采用第三種方案。如果要實現(xiàn)方案，必須要編程，但自己C語言基底很薄弱，必須要開始拾起C語言，C語言入門容易，可是要掌握它還要經(jīng)過實踐，多編程，如果只是利用這兩個星期就想把C語言學好，是不可能， 再怎么難，也得從基礎做起，從網(wǎng)上下載了一些程序，慢慢琢磨，開始對這個課題的整個編程有了初步的認識，在原來的基礎上，通過自己的理解和修改，在單片機板子上調(diào)試，直到與預想的結(jié)果一致。通過運用我所學習的單片機原理及應用、數(shù)字電子技術(shù)等關于電子技術(shù)的課程中的理論知識來完成