逆变器用SPWM波形发生器的设计

2010-07-03唐杰邹爱李胜刚李伟

船电技术 2010年3期

唐杰邹爱李胜刚李伟

(邵阳学院电气工程系，湖南省邵阳市 422000)

1 引言

SPWM控制技术在变频器、UPS等电力电子装置中得到广泛应用[1]，SPWM逆变器是这些装置的核心组成部分。SPWM逆变器要实现可靠的工作，SPWM波形发生器起着至关重要的作用。SPWM 脉宽调制技术通过一定的规律控制开关元件的通断，来获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，用以近似正弦电压波形。本文利用80C51单片机与SA828设计SPWM波形发生器。利用SA828实现的 SPWM 波形发生器只需少量的外围器件，而无需复杂的软件编程，使得设计出的系统电路结构简单、控制方便、性能稳定、抗干扰能力强，同时它易与单片机构成智能控制并且具有很好的故障处理机制。

2 SPWM的基本原理及实现方法

电力电子中常用的PWM技术的基本原理是利用高频载波与控制波进行比较，从而产生经过调制的PWM波，调制波与载波的交点，决定了PWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度。一般载波信号有锯齿波和三角波两种，当信号波为正弦波时即为SPWM波[2]。

SPWM实现的方法有模拟方法、数字方法还有采用集成芯片等方法[3-6]。其中模拟方法是通过载波和控制波的模拟电路调制来产生SPWM波。但传统的模拟方法的电路比较复杂，且有温漂现象，会影响精度，降低系统的性能。数字方法则是按照不同的数学模型用计算机算出各切换点并将其存入内存，然后通过查表及必要的计算生成SPWM波。随着数字控制技术的发展，又出现许多数字式PWM集成芯片，如用于变频调速的三相PWM发生器HEF4752、SLE4520、MA818等。本文重点论述利用单片机与 SA828实现的SPWM波形发生器，给出了详细的设计过程，包括硬件设计和软件设计，并给出了实验结果。

3 整体方案设计

波形发生器设计采用80C51单片机作为核心处理器，用74LS373设计一个I/O口扩展电路，实现了A/D转换输出的数据与SA828输入控制数据的选通。通过数码管显示输出频率的大小。系统整体方案如图1所示。

图1 系统整体方案图

4 波形发生器的硬件设计

波形发生器硬件设计主要包括由单片机最小系统设计、SA828外围电路设计、D/A转换电路设计等[7]，下面予以逐一介绍。

3.1 SA828简介及外围电路设计

3.1.1 SA828的主要特点

（1）全数字化：SA828与微处理器相连时可自动适应INTEL和MOTOROLA两种总线接口而且编程简捷方便。其全数字化的脉冲输出具有很高的精度和稳定性。

（2）工作参数的设置灵活：通过编程可设置载波频率（最高24 kHz）、调制频率（最高频率4 kHz）、调制比、最小脉宽时间、死区时间等。

（3）编程简单：微处理器先向SA828 的两个 24位寄存器输入命令字，这两个寄存器叫做初始化寄存器和控制寄存器。控制字先送到三个暂存寄存器 R0、R1、R2中，通过往虚拟寄存器R3、R4送数的写指令，来实现把 R0、R1、R2中的数据写到初始化寄存器和控制寄存器。往R3中的写指令使命令字写到控制寄存器，往R4中的写指令使命令字写到初始化寄存器。

3.1.2 SA828的参数设置

根据SA828S使用手册，SPWM载波频率可由公式fCARR=K/512n算得，式中K为单片机时钟频率，n为状态比例值；调制频率范围只需设置最高即可，可由公式fRANGE=fCARRm/384得到，式中fRANGE为调制频率范围，m为载波频率系数。死区时间tpdy是为了避免上下臂直通而设置的延迟时间，可由公式tpdy=pdy/512fCARR算得，式中pdy为脉冲延迟字；脉冲取消时间tpd是指有些窄脉冲可能引起功率管来不及开通，却要立即关断，因而设置可由下式得到。

式中：pdt为脉冲选择字；fCARR为载波频率。

3.1.3 SA828的外围电路设计

由SA828的结构原理图可知，SA828可与单片机直接相连，不需要太多繁琐的外围功能电路，如果单片机外围电路复杂，或者I/O口不够用时可加一个I/O扩展电路，用一片74HC373或者8255都可以满足要求。SA828的电源是标准的5 V TTL电平，电源可与单片机共用，数据输入脚、片选引脚、时序控制脚等输入端都需要直接与单片机相连，通过单片机的I/O进行控制。由于SA828这块芯片价格较为昂贵，为了防止电源短路烧坏该芯片，特别设计了一个简单的保护电路，其电路如图2所示，利用二极管正向导通。反向截止是在SA828的电源端与SA828的接地端各接上一个二极管，可有效防止SA828在电源短接时烧坏芯片等严重后果影响。

图2 SA828保护接线图

3.2 单片机最小系统设计

单片机最小系统包括晶振、复位、电源、系统的输入控制、输出显示，以及其他外围模块（如通信、数据采集等），如图3所示。

3.3 A/D转换电路设计

A/D转换芯片很多，A/D转换芯片选择是根据系统的转换精度和转换速度两个技术参数确定的。本设计采用的是ADC0808芯片，分辨率为8位，ADC0808由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

图3 单片机最小系统组成

5 软件设计

软件设计的总体思路是：用A/D转换主要是用来做显示和作为控制数据调节 SPWM 波的输出频率，将转换后的数据经74LS373送到单片机P0口，由单片机通过数码管显示出对应的频率大小，然后将74LS373关断，用转换过来的数据计算出相应的控制字写到SA828的控制寄存器中，输出相应频率的SPWM波。总体程序设计流程如图4所示。

图4 程序流程图

6 实验结果及分析

为了验证所设计 SPWM 波形发生器的正确性和有效性，我们在实验室进行了实验。实验时钟频率 K 为 12.288 MHz，载波频率 fCARR为10.8K，调制频率约为488 Hz；死区时间tpdy=4µs ；脉冲取消时间 tpd为 8 µs，输出波形为 50 Hz，数码管显示50 Hz。说明SPWM波形发生器产生的SPWM波是符合要求的。另外，我们还进行了多个输出频率的实验，图5-7分别给出了输出频率为100 Hz、200 Hz、300 Hz时从示波器上观察到的SPWM波形。

7 结束语

本文设计的基于单片机和SA828的SPWM波形发生器比传统的通过硬件来实现SPWM波形的电路更加简洁明了。此设计简化了SPWM信号的生成以及驱动和保护电路，减小了分离元器件的离散性，提高了输出波形的品质因素，方法简捷可靠，易于实现。其次，该SPWM波形发生器的软件设计也不需要很多复杂的算法，而且输出的波形一致性好，精度高。