基于Freescale單片機的SPWM控制技術

郝 隆 洪乃剛

（安徽工業大學，安徽 馬鞍山 243000）

1 引言

隨著汽車電子工業的發展，車內使用的用電設備越來越多，很多車載電器需要交流供電，而汽車只有+12V和+24V的直流輸出，為保證各種車載電器的正常使用，車載逆變電源成為汽車必備的一部分。目前車載逆變電源多是普通簡單的方波逆變器,并且采用模擬電路控制，由于其電路復雜、體積大、實現困難且不易改進等缺點已經漸漸不能滿足要求。基于單片機輸出SPWM的技術很好的克服了以上的缺點，利用軟件實現SPWM輸出，減輕了對硬件的要求，成本低，可靠性好。本文在對利用面積等效法產生SPWM脈沖原理進行分析的基礎上，基于Freescale公司生產的一款MC9S12DG128單片機實現逆變器的SPWM控制。

2 面積等效法SPWM波產生的基本原理

在采樣控制理論中有一個重要的結論: 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時,其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。把正弦波一個周期分成脈寬相等的2N等分，然后把每一等分（脈寬為π/N）的正弦曲線與橫軸包圍的面積分別用與此面積相等的等幅不等寬的矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與正弦波相應等分的中點重合。這種按面積相等原則構成與正弦等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，即正弦波脈寬調制（SPWM）波形。單極性和雙極性正弦脈寬調制是正弦脈寬調制的兩種基本形式，它們的面積等效算法原理圖如圖1（a）和（b）所示。

圖1

設正弦波為y＝Msinwtdt ，矩形波幅值為1，可得

根據單極性SPWM面積等效算法，脈寬產生公式為

根據雙極性SPWM面積等效算法，脈寬產生公式為

式（4）、（5）中，M為調制度，即正弦波的幅值；N為載波比，即一個正弦波周期內對應矩形脈沖的個數。

3 設計思路

3.1 硬件設計

采用Freescale公司生產16位單片機MC9S12DG128作為核心控制器件，該單片機具有8位8通道或16位4通道的PWM、2個8通道的A/D、增強型定時與捕捉模塊（ECT）以及CAN、Byteflight接口等特點。

逆變電路采用IRF740來實現單相全橋逆變。IRF740具有開關頻率高，驅動功率小，構成的功率交換器輸出電壓紋波小等特點。逆變電主電路如圖2。

圖2 逆變電路主電路

3.2 軟件設計

利用面積等效算法計算出一個周期的正弦波對應的N個矩形波的脈寬值，并將這N個脈寬值以列表形式依次放在單片機的存儲器ROM中，單片機的PWM模塊根據矩形波的脈寬值計算出相應占空比的PWM脈沖，這一系列連續輸出的脈沖就是我們想要得到的SPWM脈沖輸出。將SPWM脈沖的頻率設置為10kHz，N取值為100。

在單極性SPWM控制中，利用單片機PWM模塊產生兩路SPWM脈沖分別對應正弦波的正負半波，完整周期的兩路SPWM互補波形如圖3（a）所示。其產生原理是：單片機調用ROM中的100個矩形波脈寬值，經過一路PWM端口發出與之對應的脈沖序列后，關斷此端口，延時10ms后打開，再次發出對應的脈沖序列，如此循環，形成了其中一路SPWM脈沖;同時將上述SPWM脈沖延時10ms后發出則可得到與其互補一路SPWM脈沖，從另一路PWM端口輸出。如圖3（b）所示為SPWM波形的一段，這段波形中的脈寬由窄逐漸變寬，符合SPWM變化規律。

圖3

在雙極性SPWM控制中，利用單片機PWM模塊產生兩路交替導通的SPWM脈沖，如圖4（a）所示。其原理是單片機調用ROM中存儲的數值，以高電平為起始狀態，經過一路PWM端口發出SPWM波；同時，以低電平為起始狀態，經過另一路PWM端口發出另一路SPWM波。如圖4（b）所示為SPWM波形的一段，兩路脈沖交替導通，符合變化規律。

4 實驗分析

實驗結果在直流電壓為60V時負載運行所得的正弦波，單、雙極性SPWM調制所得波形如圖5所示。

圖4

圖5

本文介紹了基于Freescale單片機的SPWM控制技術，通過軟硬件的結合，針對規則采樣法諧波大的缺點，利用面積等效法較好地抑制了諧波。給出了具體的硬件實驗系統及軟件設計，分析實驗結果波形后表明此方案切實可行，輸出諧波較小，畸變率低，在對輸出波形質量要求較高的車載逆變電源的逆變系統有較強的實用價值。

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