基于单片机SPWM波形产生器.docx

《基于单片机SPWM波形产生器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机SPWM波形产生器.docx（22页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、湖南工程学隅课程设计课程名称单片机课程设计课题名称基于单片机的SPWM波形产生器设计专业电子科学与技术班级1002班指导教师李延平2013年5月13日课程名称单片机课程设计课题基于单片机SPWM波形产生器专业班级电子科学技术指导老师李延平审批任务书下达bl期2023年5月13日任务完成口期2023年5月24口设计内容与设计要求设计内容：(1)使用51系列设计一个简单SPWM波形产生器；(2)在设计过程中，使用仿真软件ProteUS等进行仿真调试;(3)在单片机开发板上实现设计功能。设计要求：(1)能通过按键调整输出频率;(2)SPWM的载波频率为2KHZ;主要设计条件1、PC机2、单片机开发板

2、说明书格式I、封面2、课程设计任务书3、目录4、系统总体方案设计5、系统硬件设计6,软件设计（包括流程图）7、系统的安装调试说明8、总结9、参考文献10、附录11、课程设计成绩评分表。进度安排第一周星期一上午安排任务、讲课。星期i下午-星期二下午查资料、设计星期三开始软件设计仿真第二周星期一至星期四1、调试验收2、写课程设计报告书星期五辩论地点：嵌入式微处理器及SOPC实验室参考文献1谢维成杨加国单片机原理与应用及C51程序设计（第二版）北京：清华大学出版社，2023,7.2谭浩强.C程序设计（第三版）M.北京：清华大学出版社，2005.3赵亮.单片机C语音编程与实例M.北京：人民邮出版社，2

3、023.目录一、绪论二、SPWM的根本原理三、单片机AT89C52的简介四、设计思路与总体框图五、系统设计分析六、程序调试与仿真七、实验结果分析与总结八、心得体会九、参考文献十、参考程序一、绪论电力电子技术和微机控制技术的开展使得正弦波脉宽调制技术(SPWM)在电气传动、UPS电源等领域得到广泛的应用。随着集成电路技术的飞速开展，特别是单片机功能的日益强大和单片机技术的日益成熟，使得以前需要昂贵的专用SPwM芯片产生SPWM,现在用单片机产生SPWM己成为可能。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展，尤其以嵌入式PIC单片机的开展应用更为广泛。正弦脉宽调制(SPwM)

4、技术己在交流调速、直流输电、变频电源等领域得到广泛应用，为了提高整个系统的控制效果，高性能SPWM脉冲形成技术一直是人们不断探索的课题。采用模拟电路和数字电路等硬件电路来产生SPWM波形是一种切实可行的方法，但是这种实现方法控制电路复杂、抗干扰能力差、实时调节较困难。近年来，人们提出了由单片机、DSP等微控制器来实现SPWM波形的数字控制方法，由于微控制器内部集成了很多控制电路，比方定时器、PWM电路、可编程计数器阵列等，所以使得这种实现SPWM的方法具有控制电路简单、运行速度快、控制精度高、抗干扰能力强等优点。本文介绍了一种利用C8O51单片机实现输出频率可变SPWM波形的方法。SPWM技术

5、的根本原理是利用一个三角波载波和一个正弦波进行比拟，得到一个宽度按正弦规律变化的脉冲序列，用它们来驱动逆变器开关管的开关转换。在本课题里对目前产生SPWM的各种算法进行比拟和研究。选择一种适宜的算法面积等效法来实现正弦波脉宽调制，同时对当前最有前途的功率器件绝缘栅双极晶体管IGBT的性能，保护电路和驱动电路进行了探讨。在系统中采用面积等效算法，利用51单片机为控制核心产生SPWM波，经过保护、隔离、驱动电路后的SPWM波，控制单相全桥逆变电路产生一个频率和电压都可调的交流输出，经滤波电路后供应负载使用。二、SPWM的根本原理近年来，随着逆变电源在各行各业应用的日益广泛，采用正弦脉宽调制(SPW

6、y)技术控制逆变电源提高整个系统的控制效果是人们不断探索的问题。对SPWM的控制有多种实现方法，其一是采用模拟电路、数字电路等硬件电路产生SPWM波形，该方法波形稳定准确，但电路复杂、体积庞大、不能进行自动调节；其二是借助单片机、DSP等微控制器来实现SPWM的数字控制方法，由于其内部集成了多个控制电路，如PWM电路、可编程计数器阵列(PCA)等，使得这种方法具有控制电路简单、运行速度快、抗干扰性强等优点。1、常见SPWM信号产生方法方案一：模拟调制器法。该方法由正弦调制波发生电路、三角载波发生电路和模拟电压比拟器三局部组成。而这种控制电路要实现调频、调压都离不开CPU、EPRoM、A/D、D

7、/A转换器等。所以该电路复杂、器件分散性大、可靠性差。方案二：专用芯片法。如英国MUlend公司的HEF4752和德国西门子公司的SLE4520等。该方法的优点是电路集成度高、可靠性高，缺点是无法全面实现对调速系统的反应控制、监视管理和保护工作，故-般也要配合单片机实现。方案三：软件生成法。该方法要考虑指令功能、存储容量和运算速度是否影响实时性，采用89C51单片机查表法生成SPWM控制脉冲列的方法。2、正弦脉宽调制技术SPWMSPWM控制方案有两种：即单极性调制和双极性调制法。单极性法所得的SPWM信号有正、负和O三种电平，而双极性得到的只有正、负两种电平。比拟二者生成的SPWM波可知：在相

8、同载波比情况下，生成的双极性SPWM波所含谐波量较大；并且在正弦逆变电源控制中，双极性SPWM波控制较复杂。因此一般采用单极性SPWM波控制的形式。由单片机实现SPWM控制，根据其软件化方法的不同，有如下几种方法：自然采样法、对称规那么法、不对称规那么法和面积等效法等。理论分析发现面积等效法相对于其它方法而言，谐波较小，对谐波的抑制能力较强。而且实时控制简单，利于软件实现。2.1. 称规那么采样法对称规那么采样法是从自然采样法演变而来的，它由经过采样的正弦波（实际上是阶梯波）与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。这种方法只在三角波的顶点或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波。假设以单位量1代表三角载波

9、的幅值Uc,那么正弦调制波的幅值Ur就是调制比a。图中的三角波和正弦波都是经过向上平移单位量1得到的，与过横坐标轴得到的结果-致。对称规那么采样法原理图如图2-1所示。图2-1生成SPWM波形的规那么采样法2.2. 不对称规那么采样法不对称规那么采样法采用在每个载波周期采样两次，即在三角波的顶点位置采样，又在三角波的底点位置采样，这样形成的阶梯波与正弦波的逼近程度会大大提高。不对称规那么采样法生成SPwM的原理图如图2-2所示。图2-2不对称规那么采样法生成SPWM的原理图根据相似三角形原理，可得如下关系式：6l+sinw%”7；(l+sinwi)T/224,S_l+asin叫(1+4疝叫)T

10、./22,式中：以为在三角波的正峰值对正弦信号波的采样时刻，为在三角波的负峰值对正弦信号波的采样时刻：6+6是A相开通时刻脉冲宽度:TC为三角波载波周期。因此可得A相开通时刻的脉冲宽度：%=(衣十1/4)2万/N(k=0,1,2*N-D%=(k+34)27rN(2k为一个周期内采样计数值)由以上分析得比拟单元1的比拟存放器的值为：sCMPRl=TlPR-(,+)/2T(为EVA通用定时器1的时钟周期)2.3. 等效面积法在采样控制理论有中一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果根本相同。冲量即指窄脉冲的面积。正弦脉宽调制的根本原理就是按面积相等的原那么构成与正弦

11、等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。等效面积法就是根据数据和正弦数值依次算出每个脉冲的宽度，通过查表的方式实时控制。图2-3生成SPWM波形的等效面积法假设以单位量1代表矩形脉冲的幅值Uc,那么正弦调制波的幅值Um就是调制比a。图2-3为SPWM面积等效法原理示意图假设所需的输出正弦电压为Uo=UmSint,式中：Um为正弦波幅值。利用面积等效法正弦波小块面积Sl与对应脉冲面积S2相等的原那么，将正弦波的正半周分为N等分，那么每一等分的宽度为兀/N,计算出半个周期内N个不同的脉宽值。相关公式如下：正弦波Sl面积为：逆变器输入直流电压为UD,脉冲面积S2与Sl相等，即有：n=COSTrCOST

12、rGNN所以第Uk个区间的脉冲宽度KTCOS%-COS -1NNM=COS-1NT - cos N式中：M为调制度。N为半个周期内的脉冲个数。综合考虑载波比、输出谐波等因素，在此N取60。由上式计算出的SPWM脉宽表是一个由窄到宽、再由宽到窄的60个值的正弦表，将其存入STC单片机的RoM中以供调用。3.STC系列单片机生成SPWM波原理3-1STC系列单片机简介STC12系列单片机是美国STC公司在8051单片机标准的内核根底上改良推出的一个增强型功能的8051的单片机，从引脚到指令上完全与8051单片机兼容。最突出的特点就是其具有可编程计数器阵列PCA。以STCI2C5410AD为例，有四

13、路可编程计数器阵列PCA/PWMoPCA含有一个特殊的16位定时器，有4个16位的捕获/比拟模块与之相连。四个模块的公共时间基准由PCA定时器决定,可以通过PCA模式存放器CMODSFR的CPSI和CPSO位确定。每个模块可编程工作在4种模式下：上升/下降沿捕获、软件定时器、高速输出或PWM脉冲输出。文中SPWM生成功能主要靠PWM脉冲输出模式完成。图2即为PCA模块脉宽调节PWM输出模式框图。图3TPCAPWM输出模式框图在PCAPWM输出模式中，当CLSFR的值小于EPCnL,CCAPnL时，输出为低，当PCACLSFR的值等于或大于EPCnH,CCAPnH时，输出为高。当CL的值由FF变

14、为00溢出时，EPCnlI,CCAPnH的内容装载到EPCnL,CCAPnL)中。这样就实现了无干扰的更新PWM。要使能PWM模式，模块CCAPMn存放器的PWMn和ECOMn位必须置位。本文中，SPwM波形是综合使用了模块0的脉宽调节(PWM)模式和模块1的16位软件定时器模式，通过软件中断的形式实现的。3-2SPWM波生成方法利用STC系列单片机产生SPWM波的根本原理是：将载波周期数值赋给PCA模块1的16位捕获/比拟模块存放器CCAPIH（高8位）和CCAPIL（低8位），PCA定时器的值CH（高八位）、CL（低八位）与模块捕获存放器的值相比拟，当两者相等时，产生PCA中断。在中断中，

15、调用模块O的PwM脉宽调节模式，将下一个SPwM波的脉宽通过CCAPOH装载到CCAPOL中，这样就可以实现无干扰的更新PWMe图3-2SPWM波形示意图三、单片机AT89C52简介图3AT89C52的管脚图AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMoS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FlaSh存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。其将通用的微处理器和FlaSh存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开