基于PIC单片机的SPWM控制技术

1 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。

2 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。



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π/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：



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0～63。

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。

3 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。

3.1 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）8K×14个FLASH程序存储器，368×8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。



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。

3.2 软件设计

3.2.1 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0.2μs。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=（PR2＋1）×4×Tosc×（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=11ⅹⅹ。

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。

3.2.2 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TMR2≥CCPR1L时，PWM功能引脚开始输出低电平。

当TMR2≥PR2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。