【文章內(nèi)容簡介】 的算法 [16]，并分析它們的特點。 （ 1）自然采樣法 按照正弦波與三角波的交點進行脈沖寬度與間隙時間（功率器件關斷區(qū)間的 采樣，從而生成 SPWM 波形，叫做自然采樣法。自然采樣法能準確地生成 SPWM 正邵陽學院畢業(yè)設計 (論文 ) 11 弦波脈寬調(diào)制波形。但是由于求解脈沖寬度時，需要解超越方程，求解費時較長，實時性差，工程應用中常采用規(guī)則采樣法。 （ 2）規(guī)則采樣法 為簡化計算量，將脈沖中點與三角波中點重合，即使每個脈沖關于三角波峰點左右對稱，這樣會使計算工作量大為減少。規(guī)則采樣可以對三角波正峰值和負峰值時刻采樣，對正峰值采樣，脈沖寬度明顯偏小控制誤差大，因而人們普遍采用負峰值采樣。如圖 所示 ，在三角波負峰值時刻 Dt 對正弦波采樣，以該時刻的采樣值過 D 點 作一水平線，水平線與三角波的交點分別為 A 和 B，對應的時刻分別為 At 和 Bt ，在 At 、Bt 時刻控制功率開關器件的通斷，可以得到這種規(guī)則調(diào)制下的脈沖。這種調(diào)制得到的脈沖 同自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近，時間上略有差異。 u cuO tu rT cA DBO tu ot A t D t B? ?? 39。?? 39。2?2? 圖 規(guī)則采樣法 由圖 ，可得到下列關系式 2 sin ( )cDT h th hM ?? ? ? （ ） 在 （ ） 式中 cT 為三角載波的周期， h 為三角載波的幅值。由此可以求出脈沖 寬度 (1 sin ( ))2c DT Mt???? （ ） 可以看出負峰值時刻即采樣點時刻 Dt 只與載波比 N 有關，而與調(diào)制比 M 無關。在圖 中， Dt =k cT k=0， 1， 2… .， N1。則 ? =2 CNT? ，從而 （ ） 式可具體化為 2(1 s in ( ))2cT Mk N?? ?? （ ） 邵陽學院畢業(yè)設計 (論文 ) 12 在三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊的間隙寬度 12( ) (1 si n ( ) )24 cc TT M k N???? ? ? ? ? （ ） 對于三相橋式逆變電路，應該形成三相 SPWM 波形，通常三角載波是三相公用的，三相正弦調(diào)制波依次相差 120176。 。設在同一 個 三角波周期內(nèi)三相的脈沖寬度分別為 a? 、 b? 、 c? ，其間隙寬度分別為 a?? 、 b?? 、 c?? ，由于在同一時刻三相正弦調(diào)制波電壓之和為零，故由式 （ ） 式有 a? + b? + c? =32 cT （ ） 同理，由式 （ ） 式有 a?? + b?? + c?? =34 cT （ ） 這樣，在實際變頻裝置開發(fā)中，可以利用微機計算出 A 相波形所需的數(shù) a? 和 a?? ，在編制控制程序采用移相的方法就可以得到所有的三相 SPWM 波形數(shù)據(jù)。 綜上所述，自然采樣法計算過程復雜，計算量很大，難以用數(shù)字方法實時實現(xiàn)；規(guī)則采樣法是自然采樣法的近似實現(xiàn) ，它通過調(diào)制波的采樣點對時間軸作 平行線，該平行線和三角載波的兩個交點對應的時刻即為 PWM 脈沖的跳變 時刻，它不需精確計算調(diào)制波和三角載波的真實交點，而且輸出的脈寬波形對三角波峰谷或峰值具有對稱性，只要計算出正跳變的發(fā)生時刻，根據(jù)三角載波周期，即可很容易地計算出負跳變發(fā)生的時刻，因此規(guī)則采樣法計算量比起自然采樣法大大降低，也容易實現(xiàn)。其代價就是犧牲了調(diào)制精度，跟隨精度不如自然采樣法高。所以，為了提高調(diào)制精度 ， 減少諧波， 論文 采用一塊 高性能集成芯片 SA828 結(jié)合單片機， 設計 了一個 SPWM 波形發(fā)生器 ， 該波形發(fā)生器硬件電路簡潔，軟件計算量也很少， 方法簡潔 可靠 ， 穩(wěn)定 性高 。 邵陽學院畢業(yè)設計 (論文 ) 13 3 基于單片機和 SA828 的 SPWM 波形發(fā)生器的設計 本章 重 點介紹基于單片機 和 SA828 的 SPWM 波形發(fā)生器的設計，主要內(nèi)容包括系統(tǒng)的整體方案設計及系統(tǒng)的硬件電路、軟件編程等，最后搭建實驗平臺，進行實驗 ，并分析了實驗結(jié)果。 整體方案設計 考慮到實驗條件和手段， 設計采用開環(huán)控制 ， 即按實際要求輸出一定頻率的SPWM 波形。 設計采用 89S51 單片機 作為核心 處理器 ， 用 74HC373 設計一個 I/O口擴展電路， 實現(xiàn) 了 A/D 轉(zhuǎn)換輸出 的 數(shù)據(jù) 與 SA828 輸入控制數(shù)據(jù)的選通 。 通過 數(shù)碼管顯示輸出頻率的大小。 系統(tǒng)整體方案 如圖 所示， 相應電路 原理圖見附 錄 1。 單片機 SA 8282A / D 轉(zhuǎn)換電路數(shù)碼管顯示6 路 SPWM 波電壓信號 圖 系統(tǒng)整體方案 圖 硬件電路設計 單片機最小系統(tǒng)設計 單片機即是微控制器，它集中央處理器、存儲器、輸入 /輸出電路為一體，可以完成復雜運算、邏輯控制、通信等功能。單片機 最小 系統(tǒng)包括晶振、復位、電源、系統(tǒng)的輸入控制、輸出顯示，以及其他外圍模塊（如通信、數(shù)據(jù)采集等 ） [17]，如圖 所示。 其他外圍器件輸入控制電源時鐘電路 復位電路輸出顯示單片機 圖 單片機最小 系統(tǒng)組成 邵陽學院畢業(yè)設計 (論文 ) 14 （ 1） 電源電路 電源是任何電子設備不可或缺的能量來源 ， 尤其對于工作在一定頻率下的單片機系統(tǒng) ， 電源的好壞是其能否可靠運行的保證。設計一個高效、可靠 、 抗干擾能力強的電源 ， 對于整個電子設備的穩(wěn)定工作是必不可少的環(huán)節(jié)。單片機的電源 一般 是市電經(jīng)過變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波等處理過程之后提供 的 。 大部分的電子元件的工作電壓都是 +5V，單片機正 常工作或者對片內(nèi) EPROM寫入程序時， 接 +5V電源， 5V電源的電路原理圖如 圖 。 AC220 VIN OUTGND7805T VD 1 VD 4U 0 = 5 VC 1 C 2 C 3 C 4 圖 電源 電路 原理圖 圖 ， C1=220μF， C2=， C3=， C4=1000μF。 為了達到最佳的濾波效果，除了選擇合理的電路結(jié)構(gòu)以外 ， 在安裝時，應盡量將濾波器的輸 入和輸出端遠離 開 端 ， 并剪短電容器的導線 ， 遵循導線貼地布線的原則。 經(jīng)驗表明 ， 電源的接地阻抗越小 ， 負載間的耦合就越少。較為經(jīng)濟的做法是采用負載分離供電的方法。也就是說 ， 如果是單純的最小系統(tǒng) ， 應盡量減少電源接地阻抗 ， 否則 ， 就應當將其他負載與最小系統(tǒng)分離供電。 電源接地是一種較為簡便易行的抗干擾措施 ， 但同時 ， 它又是需要很多實 踐經(jīng)驗和分析能力的技術。單片機工作的環(huán)境含有不同性質(zhì)的電源（如數(shù)字地、模擬地 )， 并且 ， 環(huán)境中不同設備的工作電壓、電流和功率也有較大差異 ， 因此 ， 安全合理接地關鍵地位突現(xiàn) ， 尤其在 PCB設計中，能夠 采取適當?shù)慕拥卮胧Y(jié)合經(jīng)驗，在接地問題上可以考慮使用如下方法 ： 分別給數(shù)字地和模擬地、 交流和直流地建立接地通路，保證其相互隔離，減少線間耦合；采取一點接地，即進行 PCB布線時將幾條接地通路接到電源公共點上，保證電源電路的低阻抗；電源接地時，應盡可能使接地通路連接到阻抗最低的接地導體上避免橫向?qū)ā? （ 2） 時鐘電路 邵陽學院畢業(yè)設計 (論文 ) 15 時 鐘電路，即晶振 電路。 單片機的工作流程就是在系統(tǒng)時鐘作用下，一條一條地執(zhí)行存儲器中的程序。單片機內(nèi)部的時鐘電路組成，晶振的頻率越高，單片 機處理數(shù)據(jù)的速度越快，系統(tǒng)功耗也會相應增加，穩(wěn)定性也會下降。單片機系統(tǒng)常用的晶振頻率有 6MHz、 、 12MHz、 、 24MHz。其中， 在串口通信系統(tǒng)中經(jīng)常用到。 常用的時鐘電路如下圖 所示。 C 1C 2X 1Crystal89 S 51XTAL 230 pF30 pFXTAL 2 圖 常用的時鐘電路 晶振在 ~12MHz 之間選擇， 微調(diào)電容 C C2 可在 5pF~60pF 之間選擇。時鐘電路是對于干擾噪聲敏感的部位， 又是單片機系統(tǒng)的主要噪聲源。因此，必須可靠解決這一矛盾體。經(jīng)過 反復研究， 有如下要求 ： ① 時鐘脈沖電路要盡量靠近 MCU， 引線應短而粗 ； ② 用地線包圍振蕩電路 ， 并將晶體振蕩器外殼接地 ； ③ 振蕩電路電容要性能穩(wěn)定 ， 容量準確 ， 在 PCB 布局中遠離發(fā)熱元件； ④整個系統(tǒng)走線中 ， 大電流信號線 ， 電源變壓器要遠離晶振走線； ⑤ 如果時鐘電路為其它芯片提供時鐘，應充分做好隔離； ⑥ 若是雙面印制電路板 ， 有導線不可避免的經(jīng)過時鐘電路 ， 走線應該直、交叉但不能平行。 （ 3）復位電路 復位是單片機初始化的操作， 他的功能是把 PC 初始化為 0000H，使單片機進入正常的初始化 操作或在由于程序運行出錯、 操作錯、操作錯誤而死鎖時 ， 擺脫困境。常用的復位電路有上電復位和手動復位兩種 ， 如圖 所示。 實際應用中 ， 圖 所示的加入施密特電路的復位電路，特別適用于現(xiàn)場干擾強、電壓波動大的工作環(huán)境。二極管 D 可在電源因某種干擾瞬間斷電時可以使電容迅速放電，從而保證了電源恢復后單片機可靠復位。否則 ， 將導致程序失控 ， 電源瞬間斷電干擾會使程序“跑飛”或進入“死循環(huán)”。除此而外 ， 一般不應 將復位按鈕引出 ，當某些儀器將復位按鈕安裝在操作面板上時 ， 應采用雙絞線 ， 甚至是屏蔽線作為引線 ，邵陽學院畢業(yè)設計 (論文 ) 16 而且要遠離交流用電設備。還要說明的是電源的穩(wěn)定與否也會影響單片機的復位 ， 若電源電壓上升緩慢 ， 穩(wěn)定過渡時間過長 ， 將會導致系統(tǒng)復位不可靠。 V C CV C CCR S T / V p dV S S8 9 S 5 1R 21 k2 2( a ) 上 電 復 位R 1( b ) 手 動 復 位R E S E TV C CV C CCV S S8 9 S 5 1R 11 k2 2 R S T / V p dF? F?1 k 圖 復位電路 74 HC 14RESETVCCRCF?22?k1+ 圖 抗干擾復位電路 （ 4） EA 腳的功能及接法 單片機的 EA 腳控制程序從內(nèi)部存儲器還是從外部存儲器讀取程序。 由于現(xiàn)在單片機內(nèi)部的 flash 容量都很大，因此基本都是從內(nèi)部的存儲器讀取程序，即不需要外接 ROM 來存儲程序，因此， EA 腳必須接高電平。 SA828 的特點及其外圍電路設計 SA828 的引腳如圖 所示 [18]， （ 1） SA828 的結(jié)構(gòu)說明 SA828 為 28 引腳的雙列直插式芯片，其引腳功能如下 ： AD0~AD7： 8 位地址、數(shù)據(jù)的復用總線。其可與單片機的 I/O 口直接相連，為提高單片機的帶負載能力可加一個上拉電阻 ，一般取 5~10k 即可 ； WR ： CPU 寫 選通信號 ； 邵陽學院畢業(yè)設計 (論文 ) 17 RD ： 讀選通信號，設計中如果不需從 SA828 內(nèi)部讀取數(shù)據(jù)可其引腳接高電平 ； ALE： 地址鎖存允許端 ； CS ： 片選信號輸入； CLK： 外部時鐘輸入，當 CLK 為 時，載波頻率最高可達 24kHz； RPHT、 RPHB、 YPHT、 YPHB、 BPHT、 BPHB： 三相 PWM 波輸出端，每一輸出端的第一字母 R、 Y、 B 對應于逆變器的 U、 V、 W 三相，最后一個字母T、 B 表示該項的上下兩個橋臂。當 SA828 關閉 PWM 輸出時，上述 6 路輸出均為低 ； TRIP： 當 SET TPIP 端信號出現(xiàn)時， TRIP 為低，指示故障關閉狀態(tài) ， 使用時外接 LED； ZPPR、 ZPPY、 ZPPB： 分別為 U、 V、 W 相零相位脈沖，對應于本相輸出波形的零度。 WSS： 波形同步采樣信號。頻率為輸出頻率的 1536 倍。該信號以零相位脈沖一起可用來檢測電機轉(zhuǎn)子的位置。在做一般的變頻器使用時 ZPPX 與 WSS 可不用 ； RST ： 內(nèi)部計數(shù)器復位端，初始化是置 RST =0， 無 PWM 波輸出 ； SET TPIR： 當該端為 1 時， SA828 立即鎖存此信號 ， 關閉 PWM 輸出 .。該端可接逆變器故障檢測輸出。 A D 3A D 4A D 5A D 6A D 7W RR DA L ER S TC L KC ST R I PR P H BY P H BA D 2A D 1