PIC单片机的SPWM控制技术介绍

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。
1 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。

图1 SPWM面积等效算法
    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。
2 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。
2.1 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RISC CPU；
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。