【正文】 果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 PWM控制的基本原理在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時其效果基本相同。另外，控制系統(tǒng)中的信號采樣通常是由A/D轉(zhuǎn)換器來完成，因此檢測精度要求較高時，調(diào)理電路復(fù)雜，而且因A/D的位數(shù)高，從而使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本居高不下。脈寬調(diào)制控制技術(shù)中的PWM波形既可用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可通過程序?qū)崿F(xiàn)。PWM整流電路已經(jīng)獲得了一些應(yīng)用，并有良好的應(yīng)用前景。PWM控制技術(shù)用于整流電路即構(gòu)成PWM整流電路?？梢哉f，正是由于PWM控制技術(shù)在逆變電路中的廣泛而成功的應(yīng)用，才奠定了PWM控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中的突出地位。目前，其應(yīng)用都還不多，但矩陣式變頻電路因其容易實(shí)現(xiàn)集成化，可以望有良好的發(fā)展前景。直流斬波電路實(shí)際上就是直流PWM電路，這是PWM控制技術(shù)應(yīng)用較早也成熟較早的一類電路，把直流斬波電路應(yīng)用于直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，就構(gòu)成廣泛應(yīng)用的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。 PWM技術(shù)的應(yīng)用范疇目前，PWM控制技術(shù)已經(jīng)廣泛的運(yùn)用到了交－直、直－直、交－交、直－交四大類變流電路中。脈寬調(diào)制技術(shù)較以往的相控技術(shù)能有效地抑制高次諧波，適宜各類電動機(jī)，滿足高性能交流調(diào)速的要求，目前成為逆變器的最主要控制方式。PWM控制技術(shù)有許多種，如等脈寬PWM法、正弦波PWM法(SPWM法)、磁鏈追蹤型PWM法和電流跟蹤型PWM法以及新近發(fā)展起來的空間矢量PWM法(SVPWM)等。 PWM技術(shù)的發(fā)展概況所謂PWM控制技術(shù)，就是利用逆變器裝置中半導(dǎo)體開關(guān)的開通和關(guān)斷，把直流電壓轉(zhuǎn)化變成一定規(guī)律的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓和消除諧波三個目的的技術(shù)。本文提出了一種利用51系列單片機(jī)定時器，通過規(guī)則采樣算法來實(shí)現(xiàn)PWM波形的程序設(shè)計(jì)方法，該方法與傳統(tǒng)硬件電路實(shí)現(xiàn)方法相比，具有更大的靈活性、適用性和更低的成本。以IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)，推動了這項(xiàng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使脈寬調(diào)制（PWM－Pluse Width Modulation）技術(shù)被廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：PWM波形；程序；逆變器ABSTRACTAccording to the theory of effect of impulse is invariant，an algorithm of PWM waves is developed with the regular sampling method．In this paper was described in detail the PWM waveform program design method by using the monolithic integrated circuit of AT89C2051’s time and count．This method pare with the PWM waveform produced by traditional hardware circuit，has more flexibility and practicality．This designed in simple circuit not only has stronger reliability，but also can be programmed more easily．The realtime output to inaccuracy of PWM wave realized by software was analyzed，and the promotion ideas were also put out．The result of simulation indicates that the PWM waves generated with this method is excellent，the frequency and the margin of the output waves is controllable，is an effective way of implement the pulseduration modulation control technology．Key words：PWM waves；procedure；Inversion 目 錄摘 要 IABSTRACT II第1章 概 述 1 PWM技術(shù)的發(fā)展概況 1 PWM技術(shù)的應(yīng)用范疇 1 PWM脈沖調(diào)寬程序設(shè)計(jì)的意義 2 PWM控制的基本原理 2第2章 方案論證 4 PWM脈沖的生成方法 4 完全由模擬電路生成 5 由專用集成芯片生成 5 軟硬件結(jié)合系統(tǒng)生成 6 設(shè)計(jì)方案選擇 8 總體方案 8 軟件算法 9 硬件平臺 9第3章 硬件設(shè)計(jì) 10 單片機(jī)AT89C2051簡介 10 主要性能參數(shù) 10 總體結(jié)構(gòu) 10 引腳功能說明 12 定時器/計(jì)數(shù)器簡介 13 硬件電路 15第4章 軟件設(shè)計(jì) 16 編程語言 16 軟件算法實(shí)現(xiàn) 16 系統(tǒng)主程序 20 定時中斷 20 算例說明 22第5章 調(diào)試結(jié)果及分析 24第6章 問題討論 28第7章 總結(jié) 29參 考 文 獻(xiàn) 30致 謝 31附 錄 32附錄A PWM脈沖調(diào)寬C51程序代碼 32附錄B WINTC中PWM規(guī)則采樣算法仿真C源程序代碼 35第1章 概 述 PWM技術(shù)是在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并對電力電子技術(shù)產(chǎn)生了十分深遠(yuǎn)影響的一項(xiàng)技術(shù)。對軟件實(shí)現(xiàn)PWM波形中實(shí)時輸出的誤差進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)意見。該方法與傳統(tǒng)的硬件電路產(chǎn)生PWM波形相比，具有更大的靈活性和實(shí)用性。題目：PWM脈沖調(diào)寬程序設(shè)計(jì)摘 要根據(jù)沖量效果不變理論，本文提出了采用規(guī)則采樣算法計(jì)算PWM波的方法。詳細(xì)描述了采用AT89C2051單片機(jī)定時加計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)PWM波形的程序設(shè)計(jì)方法。電路簡單可靠，編程方便。仿真結(jié)果表明用該方法所產(chǎn)生的PWM波形精度高，并且輸出波形的頻率和幅值可變，是實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制控制技術(shù)的一種有效途徑。PWM技術(shù)在晶閘管時代就已經(jīng)產(chǎn)生，但是為了使晶閘管通斷要付出很大的代價(jià)，因而難以得到廣泛應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。調(diào)試和仿真結(jié)果表明它所產(chǎn)生的PWM波形輸出正弦波的頻率和幅值都可改變，便于工程上實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。PWM控制技術(shù)經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的發(fā)展過程，電力電子技術(shù)的發(fā)展，一些全控型快速半導(dǎo)體器件，如BJT、IGBT、GTO等的出現(xiàn)，推動了PWM控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。1964年，《BBC評論》上提出將通信中的PWM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流傳動逆變器的控制上來，產(chǎn)生了正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變壓變頻的思想。該項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，數(shù)字化和智能化是PWM技術(shù)的發(fā)展方向。并已深入到科研、國防、生產(chǎn)生活的各個方面。交流－交流變流電路中的斬控式交流調(diào)壓電路和矩陣式變頻電路是PWM控制技術(shù)在這類電路中應(yīng)用的代表。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最具代表性。除功率很大的逆變裝置外，不用PWM控制的逆變電路已十分少見。這種技術(shù)可以看成逆變電路中的PWM技術(shù)向整流電路的延伸。 PWM脈沖調(diào)寬程序設(shè)計(jì)的意義PWM脈沖調(diào)寬技術(shù)的用途十分廣泛，尤其是在逆變器、變頻器以及動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)中，不可或缺。對于采用硬件電路方法產(chǎn)生PWM波形，如使用PWM控制器或在系統(tǒng)中增加PWM電路等,則成本高、響應(yīng)速度慢，而且PWM控制器與系統(tǒng)之間存在兼容問題。若采用軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)，則系統(tǒng)具有小型化，更大的靈活性、適應(yīng)性同時還具有較高的性價(jià)比等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制控制技術(shù)的有效途徑。沖量即是窄脈沖的面積。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段有差異。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D11d的單位脈沖函數(shù)δ(t)時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。圖中e(t)為電壓窄脈沖，其形狀和面積分別如圖11的a，b，c，d所示，為電路的輸入。圖12b給出了不同窄脈沖時i(t)的響應(yīng)波形。脈沖越窄，各i(t)波形的差異也越小。用傅立葉級數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波。這些脈沖寬度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。這就是PWM波形。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形。PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種。如直流斬波電路及PWM逆變電路，其PWM波都是由直流電源產(chǎn)生，由于直流電源電壓幅值基本恒定，因此PWM波是等幅的。不管是等幅PWM波還是不等幅PWM波，都是基于面積等效原理來進(jìn)行控制的，因此其本質(zhì)是相同的。除此之外，也還有PWM電流波。直流斬波電路得到的PWM波是等效直流波形，SPWM波得到的是等效正弦波形。除此之外，PWM波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效成所需要的非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也是基于等效面積原理。 完全由模擬電路生成正弦波發(fā)生器三角波發(fā)生器＋－PWM脈沖輸出圖21 由模擬電路生成PWM脈沖本方法通常由正弦調(diào)制波和三角載波比較產(chǎn)生，如圖21所示。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)控制時一般都不用。(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。(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。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。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。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。因此，后來又發(fā)展了一種新的SLE4520三相PWM集成電路。它能把三個8位數(shù)字量同時轉(zhuǎn)化成三路相應(yīng)脈寬的矩形波信號，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，輸出的SPWM波的開關(guān)頻率可達(dá)20kHz，基波頻率可達(dá)2600Hz。 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。表格法的缺點(diǎn)是占用大量的內(nèi)存，且無實(shí)時處理功能。一旦計(jì)算結(jié)束，就把RAM1的數(shù)據(jù)輸出。寫入RAM2的操作一旦結(jié)束，就轉(zhuǎn)為將RAM2的數(shù)據(jù)輸出。如此輪流地使用兩個RAM。1ABMsinω1ttAtBt2t3t1TCt1t1圖22 自然采樣法3. 實(shí)時計(jì)算法 實(shí)時計(jì)算要有數(shù)學(xué)模型。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。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。這是實(shí)時控制中最簡單的算法。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間，生成SPWM波形，叫做自然采樣法（Natural Sampling），如圖22所示。交點(diǎn)A是發(fā)出脈沖的時刻，B點(diǎn)是結(jié)束脈沖的時刻。顯然，Tc = t1+t2+t3。由于A、B兩點(diǎn)對三角載波的中心線并不對稱，須把脈寬時間t2分成和兩部分（見圖22）。求解tA、tB與調(diào)制度M的關(guān)系要花費(fèi)很多的時間。ttu0u00ADBurtAtBtD圖23 規(guī)則采樣法δ/2δ/2TCc．規(guī)則采樣法 （Regular Sampling）。工程上實(shí)用的方法