96单片机生成SPWM的软硬件策略
陆桢 纪志成 沈艳霞
摘 要： 利用96单片机的高速输出口HSO生成SPWM波,配置极少的外围器件,实现SPWM控制的变频调速.介绍了该系统的硬件配置，SPWM算法，及主要软件.功率器件采用了IGBT.
关键词： 逆变器；等效面积法；96单片机
中图分类号： TM921.51 文献标识码： A 文章编号：1009-038X(2000)03-0287-05
The Principle to Generate SPWM by Using Microprocessor 96
LU Zhen, JI Zhi-chen, SHEN Yan-xia
(School of Information and control system, Wuxi University of Light
Industry, Wuxi 214036) Abstract： The SPWM wave is generated by using high speed output(hso) of microprocessor 96 in the VVVF speed adjusting system .A few units are used in the system. Hardware, software and SPWM principle of the system are introduced. IGBT power circuits are used as the voltage type inverters. Key words: inverter; Area equivalent principle; microprocessor 96 近年来，随着自关断器件的不断发展，正弦波脉宽调制（SPWM）的逆变器得到了广泛应用.IGBT作为新一代全控型电力电子器件，综合了MOSFET和GTR的优点，开关频率高、驱动功率小，由它构成的功率变换器输出电压文波小，线路简单，是当今最具有应用前景的功率器件.早期主要是使用硬件获得SPWM波形.20世纪80年代以来，研究重点转移到以单片机为基础的数字方案.作者以96单片机的6路高速输出口输出SPWM波形，采用了目前较为先进的等效面积法.该系统具有成本低，结构简单，性能较好的特点.
1 SPWM波形生成策略
SPWM波形产生的方法有很多种,例如自然采样法、规则采样法和直接面积等效法等［1］.目前等效面积SPWM算法与其它算法相比，具有谐波小、程序量少、占用计算机内存少、可动态 在线进行实时运算等突出优点.运用该算法研制的变频器，输出电压波形接近正弦程度更高，谐波更小. 1.1 等效面积法
把一个正弦半波分为N等份，然后每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替,矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合,这样,由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正弦半波等效，显然这一系列脉冲波形的宽度或开关时刻可以严格地用数学方法计算得
到［2］.
如图1（a）所示，在区间［t,t+Δt］,正弦波面积为S1.
式中： M为调制度；Us为直流电源电压.
(1)
图1 面积等效法生成SPWM原理图 Fig.1 Area equivalent principle
对应图1（b）的脉冲面积S2为
将正弦信号的正半周N等分，则每份为弧度,由图1知脉冲高度为Us/2,设脉冲宽度为δk.第K份正弦波面积与对应的第K个SPWM脉冲面积相等，解得
式中： δk为开启相对时间；ε为关断相对时间. 1.2 控制规律 在f≥50 Hz与f≤10 Hz范围内采用恒功率控制，其它范围则采用恒转矩控
制，采取这种方式，控制相对较为简便，在高频和低频段采用恒功率控制可加大调速范围.为使输出波形对称性好，谐波分量小，系统采用分段同步调制，以保证整个变频范围内的开关频率变化不是很大. 1.3 余弦计算
现采用分段同步调制，每个频段载波比 N为恒定值，不同频段N不同.为了计算快速，余弦计算采用查表方式，为了保证三相互差120°，N应设成3的倍数，调制比最大180，所以将π/180，2π/180?π的余弦值算好，每个余弦值占2个字节，制成360个字节的表，当调制比N不同时，每隔360/N个字节查一次.
1.4 定时值设定
若采用12 MHz晶振，每次计数时间为2 μs，定时相对计数值开启时段为δk×106／2，关断时段ε×106／2.
2 硬件概述
本系统以“87C196”为核心,见图2. 6路高速输出口HSO输出6路三相脉宽调制SPWM波,分别控制智能驱动单元“EXB840”的光耦,以驱动6个IGBT功率元件“1MBH60D-100”,耐压可达1kV,最大承受电流60 A.本系统利用“EXB840”的过电流保护，监视IGBT的过电流情况，一旦同一桥臂上的IGBT同时导通，“EXB840”发出过流信号给96单片机，外部中断EXINT，同时封锁输出，保护IGBT.系统还对输出电压电流，通过霍尔元件进行AD采样，根据系统对电压电流的要求，一旦超限就封锁输出.系统采用“8279”作为键盘显示扩展接口，可实现对键盘/显示器的自动扫描,并识别键盘上闭合键的键号,大大节省了CPU对键盘/显示器的操作时间,从而减轻CPU的负担,而且显示稳定,程序简单.在强电（IGBT）部分，输入信号通过三极管组成的OCL输出，提高了信号的驱动能力，也保证了系统的响应速度.信号输入至“EXB840”（IGBT的专用驱动模块）.另外，用继电器作为强电开关，提供加在IGBT两端的电压，以保证IGBT的安全.电机绕组采用Y联结，当逆变器任一相导通时，电机绕组上所获得的相电压为Us/2，在单极性调制中（见图3），当A相处于正半周时，V1反复通断输出单极性SPWM波形，而V4始终关断；正半周结束进入负半周时，V4反复导通，V1关断.同理B相是由V3、V6，C相是由V5、V2交替导通控制.
图2 SPWM变频调速系统
Fig.2 SPWM VVVF speed adjusting system
图3 功率驱动电路原理图
Fig.3 Power electronics topology
3 软件说明
3.1 主程序
见图4，在主程序内主要完成显示及键盘控制，以及AD采样监控电压电流的功能.
图4 主程序流程图
Fig.4 Main programme flowchart
见图5，键盘设有启动、停止，控制电机的起停；上升、下降键控制电机的转速.