逆變器用SPWM波形發生器的設計

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逆變器要實現可靠的工作，SPWM波形發生器起著至關重要的作用。SPWM 脈寬調制技術通過一定的規律控制開關元件的通斷，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波形發生器。利用SA828實現的 SPWM 波形發生器只需少量的外圍器件，而無需復雜的軟件編程，使得設計出的系統電路結構簡單、控制方便、性能穩定、抗干擾能力強，同時它易與單片機構成智能控制并且具有很好的故障處理機制。

2 SPWM的基本原理及實現方法

電力電子中常用的PWM技術的基本原理是利用高頻載波與控制波進行比較，從而產生經過調制的PWM波，調制波與載波的交點，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實現的方法有模擬方法、數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制來產生SPWM波。但傳統的模擬方法的電路比較復雜，且有溫漂現象，會影響精度，降低系統的性能。數字方法則是按照不同的數學模型用計算機算出各切換點并將其存入內存，然后通過查表及必要的計算生成SPWM波。隨著數字控制技術的發展，又出現許多數字式PWM集成芯片，如用于變頻調速的三相PWM發生器HEF4752、SLE4520、MA818等。本文重點論述利用單片機與 SA828實現的SPWM波形發生器，給出了詳細的設計過程，包括硬件設計和軟件設計，并給出了實驗結果。

3 整體方案設計

波形發生器設計采用80C51單片機作為核心處理器，用74LS373設計一個I/O口擴展電路，實現了A/D轉換輸出的數據與SA828輸入控制數據的選通。通過數碼管顯示輸出頻率的大小。系統整體方案如圖1所示。

圖1 系統整體方案圖

4 波形發生器的硬件設計

波形發生器硬件設計主要包括由單片機最小系統設計、SA828外圍電路設計、D/A轉換電路設計等[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。其全數字化的脈沖輸出具有很高的精度和穩定性。

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

（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。控制字先送到三個暫存寄存器 R0、R1、R2中，通過往虛擬寄存器R3、R4送數的寫指令，來實現把 R0、R1、R2中的數據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的參數設置

根據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為狀態比例值；調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為調制頻率范圍，m為載波頻率系數。死區時間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的結構原理圖可知，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，數據輸入腳、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，利用二極管正向導通。反向截止是在SA828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 單片機最小系統設計

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

3.3 A/D轉換電路設計

A/D轉換芯片很多，A/D轉換芯片選擇是根據系統的轉換精度和轉換速度兩個技術參數確定的。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、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態輸出鎖存器組成。

圖3 單片機最小系統組成

5 軟件設計

軟件設計的總體思路是：用A/D轉換主要是用來做顯示和作為控制數據調節 SPWM 波的輸出頻率，將轉換后的數據經74LS373送到單片機P0口，由單片機通過數碼管顯示出對應的頻率大小，然后將74LS373關斷，用轉換過來的數據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 實驗結果及分析

為了驗證所設計 SPWM 波形發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，調制頻率約為488 Hz；死區時間tpdy=4μs ；脈沖取消時間 tpd為 8 μs，輸出波形為 50 Hz，數碼管顯示50 Hz。說明SPWM波形發生器產生的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 結束語

本文設計的基于單片機和SA828的SPWM波形發生器比傳統的通過硬件來實現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因素，方法簡捷可靠，易于實現。其次，該SPWM波形發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[M]. 北京： 機械工業出版社, 2004： 150-162.

[2]劉鳳君. 現代逆變技術及應用[M]. 北京： 電子工業出版社, 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[J]. 電力電子技術. 2007, 41(6)：1.

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

[6]張燕兵. SPWM 變頻調速應用技術. 北京： 機械工業出版社, 2002.

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