基于ATmega128A的三相正弦波發生器的研究與設計

唐宇峰，閆志平

（中紡機電研究所 北京 100025）

由于全球范圍內自然能源的日益緊張[1]，逆變技術作為一種高效的節能技術已經滲透到各個領域。隨著逆變技術在各領域地位越發重要，對逆變控制的研究也成為一項重要的研究課題。目前，逆變電源多采用正弦波脈寬調制，即SPWM技術。作為基準信號的一種，正弦波信號的波形質量直接影響到測量和控制的精度。對于一個良好的正弦信號源，一般要求輸出的基準正弦波信號幅值、頻率高度穩定、失真度小、幅值可調，對于三相正弦波信號還要求相位間隔穩定。生成SPWM信號可以使用振蕩器、比較器等通用集成電路來實現，如HEF4752、SLE4520等，但所用元件較多，線路復雜，不易調節和控制。還可以使用專用集成電路產生SPWM，這種方法控制線路簡單，但缺點是無法全面實現對系統的反饋控制。此外，還能夠基于微處理器，利用軟件編程產生SPWM波，此方法控制電路簡單可靠，減少了硬件電路，降低了外界干擾和成本[1]。文中采用ATmega128A單片機作為產生SPWM的微處理器，利用等效面積法生成SPWM脈沖，同時利用捕獲輸入實現了三相正弦波與電網的過零點匹配以及相位匹配，最終設計實現了可用于回饋控制系統的三相正弦波發生器。

1 設計原理

1.1 ATmega128A簡介

本次設計采用Atmel公司的AVR系列ATmega128A單片機。ATmega128A單片機吸收了PLC及51單片機的優點，片內資源豐富，具有128 kB系統內可編程FLASH，4 KB的E2PROM，4 kB的內部SRAM，兩個8位的定時器/計數器和兩個具有捕獲功能的16位定時器/計數器，多達53個可編程I/O口，以及ISP下載及JTAG仿真口。這款單片機提供了充足的程序空間，使控制器組態簡單，穩定可靠，且價格相對低廉[2]。

考慮到需要向微處理器輸入三路方波信號，而且其中一路還需要用到定時器計數器的輸入捕獲功能，此外還考慮到該微處理器需要同時產生三路高頻的SPWM波，同時考慮到該微處理器的成本，因此最終選用了ATmega128A這一款AVR 單片機[3]。

1.2 設計原理

本次三相正弦波發生器的電路設計采用ATmega128A單片機來實現。通過使用ATmega128A單片機的定時器/計數器3的輸入捕獲端口PE7來捕獲一路輸入的50 Hz方波，最終得到的正弦波過零點要與方波的翻轉沿對應。通過定時器/計數器1的累加器和比較器來調節占空比，可以在單片機的PB5、PB6、PB7口輸出SPWM波，輸出的SPWM波經過二階濾波電路濾波后得到所需的三相正弦波。此外，還通過單片機的輸入口輸入兩路50 Hz方波，以上三路輸入的50 Hz方波的相位差也是120°，最終要求得到的正弦波與輸入的方波同相位。

控制電路利用編程來控制ATmega128A單片機在其PB5、PB6、PB7口輸出SPWM波，經過二階濾波電路濾波后得到三相正弦波。

2 SPWM調制原理

2.1 等效面積法

采樣控制理論指出：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，沖量即指窄脈沖面積[4]。SPWM面積等效法的基本原理是在各采樣周期內，均用一個與正弦曲線和時間軸所圍面積相等的等高矩形脈沖來等效替代。等面積法的諧波較規則采樣法小[5]。在各采樣周期內，等效矩形脈沖均有一個在水平方向上移動的自由度。為提高矩形脈沖序列與正弦曲線等效的程度，必須對各采樣周期內的矩形脈沖在水平方向上的位置進行尋優。

如圖1所示，以正弦波半波為例，將正弦波N等份，每一份的正弦曲線與坐標系橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖所代替，產生脈沖的周期等于正弦波周期N，則各脈沖的寬度將是按正弦規律變化的。根據面積等效原理，N個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形便與正弦波等效。

圖1 等效面積法原理圖Fig.1 Schematic diagram of the equivalent area

設正弦波的頻率為fc，可求得SPWM波的頻率：

根據上述原理可知，本次設計的核心是生成周期固定，脈寬按正弦規律變化的等幅脈沖。下面對脈寬的計算方法進行分析。

2.2 SPWM脈寬計算方法

2.2.1 自然采樣法

在早期的SPWM實現方法中，最典型的是由一個模擬比較器對一個三角載波和一個正弦調制信號進行比較，以實現正弦調制信號對三角載波的調制。這種將三角載波和正弦調制波進行實時比較以實現調制目的的方法叫做自然采樣法[6]。自然采樣法如圖2所示，對稱規則采樣法如圖3所示，A、B為正弦波和三角波的交點，t2為所求脈寬時間。設三角波峰值為UCM，正弦波幅值為URM，由 ΔDEC～ΔAFC可知：

上式是一個超越方程，需要用迭代的方法求解超越方程以確定控制量，給實時控制帶來很大困難。在實際應用的過程中，采用該方法的電路具有參數漂移大、集成度低和設計不靈活等難以克服的缺點。

圖2 生成SPWM波的自然采樣法Fig.2 SPWM wave generated by natural sampling

圖3 生成SPWM波的對稱規則采樣法Fig.3 SPWM wave generated by symmetric regular sampling

2.2.2 對稱規則采樣法

規則采樣就是在三角載波的特征點對正弦調制波進行采樣，根據采樣值確定脈沖的前沿和后沿時刻。采樣點和開關點不重合，開關點是變換的，采樣點是固定的，開關時刻可以利用簡單的三角函數在線計算出來，滿足數字化實現的需要。

規則采樣法既力求采樣效果盡量接近自然采樣法，又不必花費過多的計算機運行時間。采用三角波作為載波的目的就是設法使SPWM波形的每一個脈沖都與三角載波的中心線對稱。載波周期中點與正弦波（調制波）的交點所作的水平線與三角波（載波）的交點確定脈沖寬度[7]。如圖3所示，同樣利用三角形相似定理可得：

3 軟件實現

本文設計的正弦波發生器最終需要得到三路相位差為120°的正弦波，首先向該發生器輸入三路50 Hz相位差為120°的方波，其中任意一路被ATmega128A的輸入捕獲端口捕獲，通過編程實現正弦波過零點與方波的翻轉沿同步；另外兩路輸入至I/O口，當這兩路方波相序交換時，對應的SPWM波相序也交換，以適應回饋控制系統中的功能模塊的應用要求。

對于ATmega128A單片機，其16位的定時器/計數器有2個，在本次設計中，通過配置TCNT1、ICR1、OCR1A/B/C、TCCR1A/B/C等寄存器，用來控制定時器/計數器1的計數序列、計數的初始值和TOP值、產生SPWM波的工作模式、匹配模式和翻轉模式。通過對比，最終確定采用快速PWM模式中的模式14，時鐘分頻設置為1分頻，ICR1定義TOP值，OCR1A/B/C分別定義匹配值。

在編程時，需用到輸入捕獲中斷和溢出中斷兩個中斷子程序。具體設計及流程圖如下。

3.1 主程序設計

如圖4所示，主程序主要包括：端口初始化函數、定時器初始化函數、溢出中斷函數和捕獲中斷函數。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of the main program

根據之前的設計思路，可知正弦波發生器需要用到兩個16位定時器。TOP值是固定值，可以選擇ICR1寄存器用來定義TOP值，OCR1A/B/C用于輸出SPWM波，ICR3用來輸入捕獲中斷。需要配置的寄存器有定時器/計數器寄存器TCNT1、控制寄存器TCCR1A/B和TCCR3B、中斷屏蔽寄存器TIMSK，擴展中斷標志屏蔽寄存器ETIMSK。定時器TCNT1初始值設為0；寄存器TCCR1A的COM1A/B/C控制匹配翻轉模式，將其設置為 2。TCCR1B的 WGM13、WGM12和 TCCR1A的WGM11、WGM10控制定時器工作模式，設置為2，對應快速PWM模式14。

3.2 溢出中斷子程序設計

溢出中斷子程序的流程圖如圖5所示，其功能是按要求改變輸出比較寄存器的值。在主程序設置計數器1溢出中斷使能，全局中斷使能。在中斷程序，通過查表法，每一次進中斷后修改一次輸出比較寄存器OCR1A/B/C的值。要求輸出波形相位差為120°，另3個輸出比較寄存器的值相位差為120°即可。

圖5 溢出中斷子程序流程圖Fig.5 Flow chart of the overflow interrupt subroutine

3.3 捕獲中斷子程序設計

捕獲中斷子程序的功能是實現過零點匹配，實現相位變換檢測，并做標記。在定時器初始化中設置計數器3為上升沿有效，在主程序設置捕獲中斷使能，全局中斷使能；50 Hz方波通過引腳ICP3輸入，每捕獲到一個上升沿，輸入捕獲標志位ICF3置位，輸入捕獲被激發，中斷執行時ICF3自動清零。在中斷子程序中強制令表指針指向第一個數，這樣可以保證每一個周期的SPWM波的第一個脈寬對應正弦波零點對應的脈寬，即實現過零點匹配。

將另外兩路方波接到PA1和PA0管腳，在進入捕獲中斷子程序后，讀取A管腳的電平值，可知相序是否有變化。在溢出中斷中根據A端口的電平值來決定是否交換OCR1B和OCR1C的查表指針。捕獲中斷子程序的流程圖如圖6所示。

圖6 捕獲中斷子程序流程圖Fig.6 Flow chart of the capture interrupt subroutine

4 實驗結果

按上述思路，用C語言在ICCAVR環境下編寫并編譯程序，用AVR Studio將編譯好的程序下載到單片機。波形如圖7所示，可看到正弦波過零點與捕獲的方波跳變沿實現了匹配。

圖7 捕獲輸入的一路方波與對應的正弦波波形Fig.7 Capture input square wave and the corresponding sine wave

相位控制的目標是實現通過改變兩路方波的相序來改變正弦波的相序。未改變輸入方波的相序時的波形圖如圖8所示；改變輸入方波的相序后的波形圖如圖9所示。可以看出，當輸入方波的相序改變時，對應的兩路正弦波的相序也會改變，實現了相位匹配。

圖8 原正弦波波形Fig.8 The original sine waves

5 結論

由以上結果可以看出，采用等效面積法生成的SPWM波形精度高，濾波后的波形更接近正弦，諧波小。本文利用Atmega128產生SPWM脈沖序列，與專用芯片相比，具有速度快、精度高、算法靈活、成本低廉等特點，在回饋控制系統中有良好的實用性和發展前景[8]。

圖9 改變輸入方波的相序后的正弦波波形Fig.9 The sine waves with the phase sequence of input square wave changing

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