基于STC系列单片机的SPWM波形实现

    摘要：文章在比较了多种生成SPWM波的技术基础上，给出了利用等效面积法来产生SPWM波形的工作原理，详细介绍了由单片机STCl2C5410AD的可编程计数器阵列PCA实现SPWM控制软件的编写过程，并给出了SPWM中断服务程序的流程图。将结果应用于由MICA421驱动器驱动的四个MOSFET器件FQAl60N08所组成的逆变桥上进行实际调试，实验结果表明，该方法具有电路简单、计算量小、实时性强的优点，采用在线计算和查表技术相结合，较好的解决了实时控制的要求，具有较好的应用价值。
关键词：STC12C5410AD；SPWM波

0 引言
    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(SPWM)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。本文介绍一种利用STC系列单片机实现SPWM波形的方法，并将由STCl2C5410AD产生的单极性SPWM波应用于单相逆变电源，实验结果证明了利用其实现SPWM波形的可行性和有效性。

1 正弦脉宽调制技术SPWM
    SPWM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0三种电平，而双极性得到的只有正、负两种电平。比较二者生成的SPWM波可知：在相同载波比情况下，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、对称规则法、不对称规则法和面积等效法等。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。因此本文采用面积等效法实现SPWM控制。
    图l为SPWM面积等效法原理示意图。

    假设所需的输出正弦电压为U0=Umsinωt，式中：Um为正弦波幅值。利用面积等效法正弦波小块面积S1与对应脉冲面积S2相等的原则，将正弦波的正半周分为N等分，则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S1面积为：
   
    逆变器输入直流电压为UD，脉冲面积S2与S1相等，即有：
   
    所以第k个区间的脉冲宽度δk
   
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。

2 STC系列单片机生成SPWM波原理
2．1 STC系列单片机简介
    STCl2系列单片机是美国STC公司在8051单片机标准的内核基础上改进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STCl2C5410AD为例，有四路可编程计数器阵列PCA／PWM。PCA含有一个特殊的16位定时器，有4个16位的捕获／比较模块与之相连。四个模块的公共时间基准由PCA定时器决定，可以通过PCA模式寄存器CMOD SFR的CPSl和CPS0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。

    在PCA PWM输出模式中，当CLSFR的值小于{EPCnL，CCAPnL}时，输出为低，当PCA CL SFR的值等于或大于{EPCnH，CCAPnH}时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，{EPCnH，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寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。本文中，SPWM波形是综合使用了模块O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。
    与此同时，STCl2C54lO单片机还具有快速A／D转换功能。有一个lO位精度、8路通道的A／D转换器。可以方便的对输入、输出的电压、电流进行监控和显示。
2．2 SPWM波生成方法
    利用STC系列单片机产生SPWM波的基本原理是：将载波周期数值赋给PCA模块l的16位捕获／比较模块寄存器CCAPlH(高8位)和CCAPlL(低8位)，PCA定时器的值CH(高八位)、CL(低八位)与模块捕获寄存器的值相比较，当两者相等时，产生PCA中断。在中断中，调用模块0的PWM脉宽调节模式，将下一个SPWM波的脉宽通过CCAP0H装载到CCAPOL中，这样就可以实现无干扰的更新PWM。
    图3中即为由软件实时计算好的一路单极性SPWM波形的脉宽示意图。在每个固定的载波周期内，不同脉宽数值组成一个正弦表格的形式。若选用模块O(P3．7)输出此路SPWM，首先将模块0的PCA模块工作模式寄存器定义为8位PWM模式，将16位计数器定时器CH、CL清零，PCA PWM模式辅助寄存器O清零(保证捕获寄存器EPCOH(高八位)、EPC0L(低八位)固定为零，PWM波比较的数值只与PCA模块0的捕获寄存器CCAPOH(高八位)、CC2APOL(低八位)有关)，模块l的捕获寄存器CCAPlH(高八位)、CCAPlL(低八位)送入载波周期的高八位和第八位数值，PCA比较／捕获模块寄存器1(CCAPMl)定义为使能比较功能，允许匹配产生中断。将第一个脉宽值sin[0]装入CCAP0H，开PCA模块中断及低压检测中断，开总中断，启动PCA计数。当16位计数器／定时器的数值与模块1中捕获／比较寄存器的数值相等时，产生一个CCF中断；在中断程序中，清中断标志位，重新给模块1的捕获寄存器CCAPlH(高八位)、CCAPlL(低八位)送入载波周期的高八位和第八位数值，将16位计数器定时器CH、CL清零，中断次数i加1，将下一个脉宽数值sin[i]装入CCAPOH以备比较。同时判断是否到达最大数值N，若是，中断次数i清零，同时将脉宽数sin[i]值送入CCAP0H，完成一个循环。这样，周而复始，在P3．7引脚上将不断产生随着正弦规律变化的脉宽，从而得到准确的SPWM波。

2．3 软件设计
    程序编写采用KeilC51编程语言进行，整个程序由主程序和键盘中断子程序以及PCA中断子程序组成。主程序在系统初始化后进入SPwM脉宽计算程序，计算相应的脉冲宽度，形成正弦表格，等待中断标志位以响应不同的中断。由于SPWM波是不断输出的，必须将PCA中断级别设置为最高。一旦有PCA中断标志位，即转入执行其中断子程序。图4为PCA中断子程序流程图。在中断服务程序中，注意CCF1位和CF标志位均由硬件置位，但不能自动清零，必须在中断程序中由软件清零。

    与此同时，系统可以响应键盘中断子程序，由键盘控制通过液晶显示屏监控输出电压、电流的变化情况等。

3 实验结果
    根据上述设计思路及编写的软件，用MIC442l驱动器驱动四个MOSFET器件FQAl60N08组成的逆变桥上进行实际调试。图5为由单片机STCl2C5410输出的两路互补(有一定死区时间)单极性SPWM波。用这两路互补信号直接驱动芯片MIC4421，其输出信号再分别驱动逆变桥，经低通滤波后的波形如图6所示。

4 结束语
    实验结果表明，此方法电路结构简单，硬件设计和软件编程切实可行。采用在线计算和查表技术相结合，较好的解决了实时控制的要求。同时采用单片机作为控制器件，不仅成本降低，而且调试方便，受外界干扰较小，有很好的实用性和可靠性。