【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(diǎn)，故在微處理機(jī)控制時(shí)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(dāng)控制電路的直流電源電壓有波動(dòng)或有噪聲干擾時(shí)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(dāng)輸出頻率低、調(diào)制深度很小時(shí)，信號(hào)噪聲比相對增大，此時(shí)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(shí)漂的影響大，造成用戶使用時(shí)系統(tǒng)性能和出廠時(shí)的性能不一樣。(5) 難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化PWM控制。因?yàn)樽顑?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(jié)構(gòu)將變得更復(fù)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(qiáng)迫換流電路的三相晶閘管變頻器，也可用于全控型開關(guān)器件構(gòu)成的變頻器。對于后者，可輸出三相對稱SPWM波控制信號(hào)，調(diào)頻范圍為0200Hz。由于它生成的SPWM波的最大開關(guān)頻率比較低，一般在1KHz以下，所以較適于以BJT或GTO為開關(guān)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(shè)置的開關(guān)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(yīng)用ACMOS技術(shù)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(gè)8位數(shù)字量同時(shí)轉(zhuǎn)化成三路相應(yīng)脈寬的矩形波信號(hào)，與8位或16位微機(jī)聯(lián)合使用，可產(chǎn)生三相變頻器所需的六路控制信號(hào)，輸出的SPWM波的開關(guān)頻率可達(dá)20kHz，基波頻率可達(dá)2600Hz。因此，適用于IGBT變頻器或其它中頻電源變頻器。 軟硬件結(jié)合系統(tǒng)生成軟硬件結(jié)合系統(tǒng)法是由微型計(jì)算機(jī)來實(shí)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(yù)先將SPWM波的數(shù)據(jù)計(jì)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(guān)動(dòng)作。表格法的缺點(diǎn)是占用大量的內(nèi)存，且無實(shí)時(shí)處理功能。2. 隨時(shí)計(jì)算法（又稱RAM法） 這種方法的特點(diǎn)是在ROM中預(yù)先存儲(chǔ)一個(gè)單位基準(zhǔn)正弦波，運(yùn)行時(shí)，根據(jù)指令值的要求，按不同載波比和調(diào)幅比的要求，計(jì)算出一個(gè)周期的開關(guān)模式和開關(guān)模式保持的時(shí)間值，寫入RAM1中。一旦計(jì)算結(jié)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(jì)算，但將計(jì)算結(jié)果寫入RAM2中。寫入RAM2的操作一旦結(jié)束，就轉(zhuǎn)為將RAM2的數(shù)據(jù)輸出。再有新的指令值時(shí)，則將計(jì)算結(jié)果寫入RAM1中。如此輪流地使用兩個(gè)RAM。這種方法雖然不必使用大量的ROM，但沒有實(shí)時(shí)處理功能，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間也較慢。1ABMsinω1ttAtBt2t3t1TCt1t1圖22 自然采樣法3. 實(shí)時(shí)計(jì)算法 實(shí)時(shí)計(jì)算要有數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)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(gòu)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(jì)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(gè)脈沖的寬度。這是實(shí)時(shí)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(jì)算正弦調(diào)制波與三角載波的交點(diǎn)，從而求出相應(yīng)的脈寬和脈沖間隔時(shí)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(diǎn)A是發(fā)出脈沖的時(shí)刻，B點(diǎn)是結(jié)束脈沖的時(shí)刻。Tc為三角載波的周期；t1為在Tc時(shí)間內(nèi)，在脈沖發(fā)生以前（即A點(diǎn)以前）的間隔時(shí)間；t2為AB之間的脈寬時(shí)間；t3為在Tc以內(nèi)、B點(diǎn)以后的間隔時(shí)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(diǎn)對三角載波的中心線并不對稱，須把脈寬時(shí)間t2分成和兩部分（見圖22）。按相似三角形的幾何關(guān)系，可知： (23) (24)于是有： (25)這是一個(gè)超越方程，其中tA、tB不但與載波比N有關(guān)，而且是調(diào)制度M的函數(shù)。求解tA、tB與調(diào)制度M的關(guān)系要花費(fèi)很多的時(shí)間。這種數(shù)學(xué)模型不適合低速微機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(gè)脈沖的起始和終了時(shí)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(shí)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(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，其效果接近自然采樣法，但計(jì)算量卻比自然采樣法小得多。取三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期TC。在自然采樣法中，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)并不和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合。而規(guī)則采樣法使兩者重合，也就是使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對稱，這樣就使計(jì)算大為簡化。如圖23所示，在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對正弦信號(hào)波采樣而得到D點(diǎn)，過D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于A點(diǎn)和B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制功率開關(guān)器件的通斷?？梢钥闯觯眠@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(shè)正弦調(diào)制信號(hào)波為： (26)式中，a稱為調(diào)制度，0≤a＜1；ωr為正弦信號(hào)波角頻率。圖中可得到如下關(guān)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(yīng)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(shè)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(shí)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(shí)的計(jì)算。 設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓都離不開CPU、EPROM、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等外圍硬件電路。所以該電路復(fù)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(diǎn)是電路集成度高、可靠性高，缺點(diǎn)是無法全面實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的反饋控制、監(jiān)視管理和保護(hù)工作。軟硬件結(jié)合系統(tǒng)生成PWM波形法具有以上方法的優(yōu)點(diǎn)，利于工程上實(shí)現(xiàn)控制。 軟件算法PWM脈寬調(diào)制在工程上實(shí)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(xué)模型又要適合低速微機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。綜合這些要求本設(shè)計(jì)選擇了PWM控制算法中的規(guī)則采樣算法來作為微機(jī)處理的軟件算法。 硬件平臺(tái) 就本設(shè)計(jì)要求來看，生成PWM矩形脈沖只需單片機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)定時(shí)器、一個(gè)I/O口和一定的存儲(chǔ)空間就可以，故基本型51系列單片機(jī)完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。就目前中國市場的情況來看，89C2051單片機(jī)有很大的市場。其原因有下列幾點(diǎn)：(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(shù)，可重復(fù)擦/寫1000次以上(4) 適合小批量系統(tǒng)的應(yīng)用，容易實(shí)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(luò)和I/O量需求不大的應(yīng)用系統(tǒng)。就單片機(jī)芯片性價(jià)比來看,(1) 與80C31系統(tǒng)相比較，如果需要構(gòu)成一個(gè)80C31的最小系統(tǒng)，除了CPU之外，至少需要一片外部程序存儲(chǔ)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(jī)比較，89C2051與PIC相對應(yīng)芯片比較有如下特點(diǎn)：89C2051的價(jià)格高于PIC的OTP型號(hào)，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(jié)構(gòu)、串口通訊定時(shí)器系統(tǒng)都大大強(qiáng)于PIC系統(tǒng)。與PIC相比2051更適合于較復(fù)雜的應(yīng)用場合，適合一些軟件需要多次修改的應(yīng)用。綜合以上89C2051單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用美國ATMEL公司的AT89C2051單片機(jī)作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。軟硬件結(jié)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(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)的方法，利用規(guī)則采樣算法，并且基于AT89C2051單片機(jī)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)PWM控制、產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制波形。第3章 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)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(jī)，片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C2051單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)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(chǔ)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(chǔ)器(7) 1288字節(jié)內(nèi)部RAM(8) 15個(gè)可編程I/O口線(9) 兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器(10) 6個(gè)中斷源(11) 可編程串行UART通道(12) 可直接驅(qū)動(dòng)LED的輸出端口(13) 內(nèi)置一個(gè)模擬比較器(14) 低功耗空閑和掉電模式 總體結(jié)構(gòu)AT89C2051單片機(jī)內(nèi)部由CPU，2K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工的串行通信口，內(nèi)置一個(gè)精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路等組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示。振蕩器和時(shí)序OSC閃速存儲(chǔ)器2KB Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器128B RAM216位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器AT89C2051CPU64KB總線擴(kuò)展控制器可編程I/O可編程全雙工串行口外時(shí)鐘源外中斷控制并行口串行通信內(nèi)中斷外部事件計(jì)數(shù)圖31 AT89C2051單片機(jī)內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖下面對各功能部件的作用分述如下：1．CPUCPU是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，是單片機(jī)的指揮和控制中心。從功能上看，CPU可分為運(yùn)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(chǔ)器的指