唐杰 鄒愛 李勝剛 李偉

(邵陽學院電氣工程系，湖南省邵陽市 422000)

1 引言

SPWM控制技術(shù)在變頻器、UPS等電力電子裝置中得到廣泛應用[1]，SPWM逆變器是這些裝置的核心組成部分。SPWM逆變器要實現(xiàn)可靠的工作，SPWM波形發(fā)生器起著至關(guān)重要的作用。SPWM 脈寬調(diào)制技術(shù)通過一定的規(guī)律控制開關(guān)元件的通斷，來獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形，用以近似正弦電壓波形。本文利用80C51單片機與SA828設計SPWM波形發(fā)生器。利用SA828實現(xiàn)的 SPWM 波形發(fā)生器只需少量的外圍器件，而無需復雜的軟件編程，使得設計出的系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強，同時它易與單片機構(gòu)成智能控制并且具有很好的故障處理機制。

2 SPWM的基本原理及實現(xiàn)方法

電力電子中常用的PWM技術(shù)的基本原理是利用高頻載波與控制波進行比較，從而產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的PWM波，調(diào)制波與載波的交點，決定了PWM脈沖系列的寬度和脈沖間的間隔寬度。一般載波信號有鋸齒波和三角波兩種，當信號波為正弦波時即為SPWM波[2]。

SPWM實現(xiàn)的方法有模擬方法、數(shù)字方法還有采用集成芯片等方法[3-6]。其中模擬方法是通過載波和控制波的模擬電路調(diào)制來產(chǎn)生SPWM波。但傳統(tǒng)的模擬方法的電路比較復雜，且有溫漂現(xiàn)象，會影響精度，降低系統(tǒng)的性能。數(shù)字方法則是按照不同的數(shù)學模型用計算機算出各切換點并將其存入內(nèi)存，然后通過查表及必要的計算生成SPWM波。隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)許多數(shù)字式PWM集成芯片，如用于變頻調(diào)速的三相PWM發(fā)生器HEF4752、SLE4520、MA818等。本文重點論述利用單片機與 SA828實現(xiàn)的SPWM波形發(fā)生器，給出了詳細的設計過程，包括硬件設計和軟件設計，并給出了實驗結(jié)果。

3 整體方案設計

波形發(fā)生器設計采用80C51單片機作為核心處理器，用74LS373設計一個I/O口擴展電路，實現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)據(jù)與SA828輸入控制數(shù)據(jù)的選通。通過數(shù)碼管顯示輸出頻率的大小。系統(tǒng)整體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案圖

4 波形發(fā)生器的硬件設計

波形發(fā)生器硬件設計主要包括由單片機最小系統(tǒng)設計、SA828外圍電路設計、D/A轉(zhuǎn)換電路設計等[7]，下面予以逐一介紹。

3.1 SA828簡介及外圍電路設計

3.1.1 SA828的主要特點

（1）全數(shù)字化：SA828與微處理器相連時可自動適應INTEL和MOTOROLA兩種總線接口而且編程簡捷方便。其全數(shù)字化的脈沖輸出具有很高的精度和穩(wěn)定性。

（2）工作參數(shù)的設置靈活：通過編程可設置載波頻率（最高24 kHz）、調(diào)制頻率（最高頻率4 kHz）、調(diào)制比、最小脈寬時間、死區(qū)時間等。

（3）編程簡單：微處理器先向SA828 的兩個 24位寄存器輸入命令字，這兩個寄存器叫做初始化寄存器和控制寄存器?？刂谱窒人偷饺齻€暫存寄存器 R0、R1、R2中，通過往虛擬寄存器R3、R4送數(shù)的寫指令，來實現(xiàn)把 R0、R1、R2中的數(shù)據(jù)寫到初始化寄存器和控制寄存器。往R3中的寫指令使命令字寫到控制寄存器，往R4中的寫指令使命令字寫到初始化寄存器。

3.1.2 SA828的參數(shù)設置

根據(jù)SA828S使用手冊，SPWM載波頻率可由公式fCARR=K/512n算得，式中K為單片機時鐘頻率，n為狀態(tài)比例值；調(diào)制頻率范圍只需設置最高即可，可由公式fRANGE=fCARRm/384得到，式中fRANGE為調(diào)制頻率范圍，m為載波頻率系數(shù)。死區(qū)時間tpdy是為了避免上下臂直通而設置的延遲時間，可由公式tpdy=pdy/512fCARR算得，式中pdy為脈沖延遲字；脈沖取消時間tpd是指有些窄脈沖可能引起功率管來不及開通，卻要立即關(guān)斷，因而設置可由下式得到。

式中：pdt為脈沖選擇字；fCARR為載波頻率。

3.1.3 SA828的外圍電路設計

由SA828的結(jié)構(gòu)原理圖可知，SA828可與單片機直接相連，不需要太多繁瑣的外圍功能電路，如果單片機外圍電路復雜，或者I/O口不夠用時可加一個I/O擴展電路，用一片74HC373或者8255都可以滿足要求。SA828的電源是標準的5 V TTL電平，電源可與單片機共用，數(shù)據(jù)輸入腳、片選引腳、時序控制腳等輸入端都需要直接與單片機相連，通過單片機的I/O進行控制。由于SA828這塊芯片價格較為昂貴，為了防止電源短路燒壞該芯片，特別設計了一個簡單的保護電路，其電路如圖2所示，利用二極管正向?qū)ā７聪蚪刂故窃赟A828的電源端與SA828的接地端各接上一個二極管，可有效防止SA828在電源短接時燒壞芯片等嚴重后果影響。

圖2 SA828保護接線圖

3.2 單片機最小系統(tǒng)設計

單片機最小系統(tǒng)包括晶振、復位、電源、系統(tǒng)的輸入控制、輸出顯示，以及其他外圍模塊（如通信、數(shù)據(jù)采集等），如圖3所示。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設計

A/D轉(zhuǎn)換芯片很多，A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇是根據(jù)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度兩個技術(shù)參數(shù)確定的。本設計采用的是ADC0808芯片，分辨率為8位，ADC0808由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。

圖3 單片機最小系統(tǒng)組成

5 軟件設計

軟件設計的總體思路是：用A/D轉(zhuǎn)換主要是用來做顯示和作為控制數(shù)據(jù)調(diào)節(jié) SPWM 波的輸出頻率，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)74LS373送到單片機P0口，由單片機通過數(shù)碼管顯示出對應的頻率大小，然后將74LS373關(guān)斷，用轉(zhuǎn)換過來的數(shù)據(jù)計算出相應的控制字寫到SA828的控制寄存器中，輸出相應頻率的SPWM波。總體程序設計流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

6 實驗結(jié)果及分析

為了驗證所設計 SPWM 波形發(fā)生器的正確性和有效性，我們在實驗室進行了實驗。實驗時鐘頻率 K 為 12.288 MHz，載波頻率 fCARR為10.8K，調(diào)制頻率約為488 Hz；死區(qū)時間tpdy=4μs ；脈沖取消時間 tpd為 8 μs，輸出波形為 50 Hz，數(shù)碼管顯示50 Hz。說明SPWM波形發(fā)生器產(chǎn)生的SPWM波是符合要求的。另外，我們還進行了多個輸出頻率的實驗，圖5-7分別給出了輸出頻率為100 Hz、200 Hz、300 Hz時從示波器上觀察到的SPWM波形。

7 結(jié)束語

本文設計的基于單片機和SA828的SPWM波形發(fā)生器比傳統(tǒng)的通過硬件來實現(xiàn)SPWM波形的電路更加簡潔明了。此設計簡化了SPWM信號的生成以及驅(qū)動和保護電路，減小了分離元器件的離散性，提高了輸出波形的品質(zhì)因素，方法簡捷可靠，易于實現(xiàn)。其次，該SPWM波形發(fā)生器的軟件設計也不需要很多復雜的算法，而且輸出的波形一致性好，精度高。

圖5 100 Hz時的波形圖

圖6 200 Hz時的波形圖

圖7 300 Hz時的波形圖

[1]王兆安, 黃俊. 電力電子技術(shù)[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社, 2004： 150-162.

[2]劉鳳君. 現(xiàn)代逆變技術(shù)及應用[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社, 2006：50-60.

[3]無運昌. 模擬集成電路與原理. 廣州： 華南理工大學出版社, 2004.

[4]周根榮, 姜平, 李俊紅. 基于DDS的SPWM自然采樣法硬件實現(xiàn)[J]. 電力電子技術(shù). 2007, 41(6)：1.

[5]張利新, 袁紅霞. 基于 DSP的 SPWM 產(chǎn)生方法[J].微計算機信息.2007，23(2)：1.

[6]張燕兵. SPWM 變頻調(diào)速應用技術(shù). 北京： 機械工業(yè)出版社, 2002.

[7]范小波, 李萍, 張代潤. 一種基于 C8051單片機的SPWM波形實現(xiàn)方案[J]. 電源世界. 2006,(7)：1-2.