【正文】 器和三角波發(fā)生器分別由模擬電路組成，在異步調(diào)制方式下，三角波的頻率是固定的，而正弦波的頻率和幅值隨調(diào)制深度的增大而線性增大。本方法原理簡單而且直觀，但也帶來如下一些缺點，故在微處理機控制時一般都不用。(1) 正弦調(diào)制波和三角載波由硬件電路生成，硬件開銷大，系統(tǒng)可靠性降低。(2) 由于是正弦波和三角載波比較，當控制電路的直流電源電壓有波動或有噪聲干擾時都將引起PWM脈沖寬度的變化，從而影響到系統(tǒng)輸出頻率和電壓的穩(wěn)定性。(3) 當輸出頻率低、調(diào)制深度很小時，信號噪聲比相對增大，此時上述噪聲干擾問題更加明顯，輸出頻率精度越來越差。(4) 系統(tǒng)受溫漂和時漂的影響大，造成用戶使用時系統(tǒng)性能和出廠時的性能不一樣。(5) 難以實現(xiàn)最優(yōu)化PWM控制。因為最優(yōu)化PWM的調(diào)制波都不是正弦波，用硬件手段生成這些調(diào)制波，硬件結構將變得更復雜。 由專用集成芯片生成HEF4752是全數(shù)字化的三相SPWM波生成集成電路。這種芯片既可用于有強迫換流電路的三相晶閘管變頻器，也可用于全控型開關器件構成的變頻器。對于后者，可輸出三相對稱SPWM波控制信號，調(diào)頻范圍為0200Hz。由于它生成的SPWM波的最大開關頻率比較低，一般在1KHz以下，所以較適于以BJT或GTO為開關器件的變頻器，而不適于IGBT變頻器。 如上所述，HEF4752三相SPWM集成電路能設置的開關頻率比較低，不適合于IGBT變頻器。因此，后來又發(fā)展了一種新的SLE4520三相PWM集成電路。它是一種應用ACMOS技術制作的低功耗高頻大規(guī)模集成電路，是一種可編程器件。它能把三個8位數(shù)字量同時轉化成三路相應脈寬的矩形波信號，與8位或16位微機聯(lián)合使用，可產(chǎn)生三相變頻器所需的六路控制信號，輸出的SPWM波的開關頻率可達20kHz，基波頻率可達2600Hz。因此，適用于IGBT變頻器或其它中頻電源變頻器。 軟硬件結合系統(tǒng)生成軟硬件結合系統(tǒng)法是由微型計算機來實現(xiàn)PWM控制的方法，是目前經(jīng)常采用的一種方法。根據(jù)其軟件制作方法的不同，有如下幾種：1. 表格法（又稱ROM法） 這種方法是預先將SPWM波的數(shù)據(jù)計算出來，存入ROM中，然后根據(jù)調(diào)頻或調(diào)幅指令再將這些數(shù)據(jù)順序取出，由輸出口輸出，控制逆變器的開關動作。表格法的缺點是占用大量的內(nèi)存，且無實時處理功能。2. 隨時計算法（又稱RAM法） 這種方法的特點是在ROM中預先存儲一個單位基準正弦波，運行時，根據(jù)指令值的要求，按不同載波比和調(diào)幅比的要求，計算出一個周期的開關模式和開關模式保持的時間值，寫入RAM1中。一旦計算結束，就把RAM1的數(shù)據(jù)輸出。在RAM1的數(shù)據(jù)輸出期間，如指令值發(fā)生了新的變化，則開始重新計算，但將計算結果寫入RAM2中。寫入RAM2的操作一旦結束，就轉為將RAM2的數(shù)據(jù)輸出。再有新的指令值時，則將計算結果寫入RAM1中。如此輪流地使用兩個RAM。這種方法雖然不必使用大量的ROM，但沒有實時處理功能，動態(tài)響應時間也較慢。1ABMsinω1ttAtBt2t3t1TCt1t1圖22 自然采樣法3. 實時計算法 實時計算要有數(shù)學模型。建立數(shù)學模型的方法有許多種，如等效面積法、自然采樣法和規(guī)則采樣法。而規(guī)則采樣法中又有對稱規(guī)則采樣法與不對稱規(guī)則采樣法。a．等效面積法。生成原理就是按面積相等的原則構成與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形。脈沖寬度計算公式是 (21)根據(jù)已知數(shù)據(jù)和正弦數(shù)值可以依次算出每個脈沖的寬度。這是實時控制中最簡單的算法。b．自然采樣法。移植模擬控制的方法，計算正弦調(diào)制波與三角載波的交點，從而求出相應的脈寬和脈沖間隔時間，生成SPWM波形，叫做自然采樣法（Natural Sampling），如圖22所示。在圖中截取了任意一段正弦調(diào)制波與三角載波的相交情況。交點A是發(fā)出脈沖的時刻，B點是結束脈沖的時刻。Tc為三角載波的周期；t1為在Tc時間內(nèi)，在脈沖發(fā)生以前（即A點以前）的間隔時間；t2為AB之間的脈寬時間；t3為在Tc以內(nèi)、B點以后的間隔時間。顯然，Tc = t1+t2+t3。若以單位量1代表三角載波的幅值Utm，則正弦調(diào)制波的幅值Utm就是調(diào)制度M，正弦調(diào)制波可寫作： (22)式中，ω1是調(diào)制波頻率，也就是控制系統(tǒng)的輸出頻率。由于A、B兩點對三角載波的中心線并不對稱，須把脈寬時間t2分成和兩部分（見圖22）。按相似三角形的幾何關系，可知： (23) (24)于是有： (25)這是一個超越方程，其中tA、tB不但與載波比N有關，而且是調(diào)制度M的函數(shù)。求解tA、tB與調(diào)制度M的關系要花費很多的時間。這種數(shù)學模型不適合低速微機實現(xiàn)實時控制，所以發(fā)展了規(guī)則采樣法。ttu0u00ADBurtAtBtD圖23 規(guī)則采樣法δ/2δ/2TCc．規(guī)則采樣法 （Regular Sampling）。自然采樣法的主要問題是SPWM波形每一個脈沖的起始和終了時刻tA和tB對三角波的中心線不對稱，因而求解困難。工程上實用的方法要求算法簡單，只要誤差不太大，允許作出一些近似處理，這樣就提出了各種規(guī)則采樣法。圖23所示為一種規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法，其效果接近自然采樣法，但計算量卻比自然采樣法小得多。取三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期TC。在自然采樣法中，每個脈沖的中點并不和三角波一周期的中點（即負峰點）重合。而規(guī)則采樣法使兩者重合，也就是使每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，這樣就使計算大為簡化。如圖23所示，在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣而得到D點，過D點作一水平直線和三角波分別交于A點和B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制功率開關器件的通斷?？梢钥闯?，用這種規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度δ和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。設正弦調(diào)制信號波為： (26)式中，a稱為調(diào)制度，0≤a＜1；ωr為正弦信號波角頻率。圖中可得到如下關系式： (27)因此可得： (28)在三角波的一周期內(nèi)，脈沖兩邊的間隙寬度為： (29)對于三相橋式逆變電路來說，應該形成三相SPWM波形。通常三相的三角波載波是公用的，三相正弦調(diào)制波的相位依次相差1200。設在同一三角波周期內(nèi)三相的脈沖寬度分別為δu、δv和δw，脈沖兩邊的間隙寬度分別為u、v和w，由于在同一時刻三相正弦調(diào)制波電壓之和為零，故由式可得： (210)同樣，由式可得：u+v+w = (211)利用式(210)、式(211)可以簡化生成三相SPWM波形時的計算。 設計方案選擇 總體方案由以上理論分析得出：完全由模擬電路產(chǎn)生法的控制電路要實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓都離不開CPU、EPROM、A/D、D/A轉換器等外圍硬件電路。所以該電路復雜、器件分散性大、可靠性差。而用專用集成芯片產(chǎn)生法的優(yōu)點是電路集成度高、可靠性高，缺點是無法全面實現(xiàn)對系統(tǒng)的反饋控制、監(jiān)視管理和保護工作。軟硬件結合系統(tǒng)生成PWM波形法具有以上方法的優(yōu)點，利于工程上實現(xiàn)控制。 軟件算法PWM脈寬調(diào)制在工程上實用的方法要求算法簡單，只要誤差不太大，允許作出一些近似處理。其數(shù)學模型又要適合低速微機實現(xiàn)實時控制。綜合這些要求本設計選擇了PWM控制算法中的規(guī)則采樣算法來作為微機處理的軟件算法。 硬件平臺 就本設計要求來看，生成PWM矩形脈沖只需單片機系統(tǒng)中的一個定時器、一個I/O口和一定的存儲空間就可以，故基本型51系列單片機完全可以滿足設計要求。就目前中國市場的情況來看，89C2051單片機有很大的市場。其原因有下列幾點：(1) 2051采用的是MCS51的核心，十分容易為廣大用戶所接受(2) 2051內(nèi)部基本保持了80C31的硬件I/O功能(3) 2051的Flash存貯器技術，可重復擦/寫1000次以上(4) 適合小批量系統(tǒng)的應用，容易實現(xiàn)軟件的升級。89C2051適合于家用電器控制，分布式測控網(wǎng)絡和I/O量需求不大的應用系統(tǒng)。就單片機芯片性價比來看,(1) 與80C31系統(tǒng)相比較，如果需要構成一個80C31的最小系統(tǒng)，除了CPU之外，至少需要一片外部程序存儲器，而系統(tǒng)的有效引腳和89C2051基本相同。從元器件的成本，電路板的面積和加密性來看，使用89C2051都是合算的。(2) 與PIC單片機比較，89C2051與PIC相對應芯片比較有如下特點：89C2051的價格高于PIC的OTP型號，但大大低于PIC的EPROM型，89C2051片內(nèi)不含看門狗（Watch Dog），這是89C2051的不足之處，中斷系統(tǒng)堆棧結構、串口通訊定時器系統(tǒng)都大大強于PIC系統(tǒng)。與PIC相比2051更適合于較復雜的應用場合，適合一些軟件需要多次修改的應用。綜合以上89C2051單片機的優(yōu)點，本設計采用美國ATMEL公司的AT89C2051單片機作為設計系統(tǒng)的硬件平臺。軟硬件結合系統(tǒng)生成PWM波形法中的規(guī)則采樣算法利于工程上微機實現(xiàn)實時控制。此方案控制電路簡單可靠，減輕了對硬件的要求，且成本低，受外界干擾小。故本設計的試驗系統(tǒng)采用軟硬件結合設計的方法，利用規(guī)則采樣算法，并且基于AT89C2051單片機定時器實現(xiàn)PWM控制、產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制波形。第3章 硬件設計 單片機AT89C2051簡介AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS型8位單片機，片內(nèi)含2k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大AT89C2051單片機可提供許多高性價比的應用場合。 主要性能參數(shù)(1) 與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容(2) 2k字節(jié)可重擦寫閃速存儲器(3) 1000次擦寫周期(4) －6V的工作電壓范圍(5) 全靜態(tài)操作：0Hz－24MHz(6) 兩級加密程序存儲器(7) 1288字節(jié)內(nèi)部RAM(8) 15個可編程I/O口線(9) 兩個16位定時/計數(shù)器(10) 6個中斷源(11) 可編程串行UART通道(12) 可直接驅動LED的輸出端口(13) 內(nèi)置一個模擬比較器(14) 低功耗空閑和掉電模式 總體結構AT89C2051單片機內(nèi)部由CPU，2K字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工的串行通信口，內(nèi)置一個精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路等組成。其內(nèi)部結構框圖如圖31所示。振蕩器和時序OSC閃速存儲器2KB Flash數(shù)據(jù)存儲器128B RAM216位定時器/計數(shù)器AT89C2051CPU64KB總線擴展控制器可編程I/O可編程全雙工串行口外時鐘源外中斷控制并行口串行通信內(nèi)中斷外部事件計數(shù)圖31 AT89C2051單片機內(nèi)部基本結構框圖下面對各功能部件的作用分述如下：1．CPUCPU是單片機內(nèi)部的核心部件，是單片機的指揮和控制中心。從功能上看，CPU可分為運算器和控制器兩大部分。a．控制器控制器的功能是：接受來自程序存儲器的指