摘要：文章在比較了多種生成SPWM波的技術基礎上，給出了利用等效面積法來產(chǎn)生SPWM波形的工作原理，詳細介紹了由單片機STCl2C5410AD的可編程計數(shù)器陣列PCA實現(xiàn)SPWM控制軟件的編寫過程，并給出了SPWM中斷服務程序的流程圖。將結果應用于由MICA421驅動器驅動的四個MOSFET器件FQAl60N08所組成的逆變橋上進行實際調試，實驗結果表明，該方法具有電路簡單、計算量小、實時性強的優(yōu)點，采用在線計算和查表技術相結合，較好的解決了實時控制的要求，具有較好的應用價值。
關鍵詞：STC12C5410AD；SPWM波

0 引言
    近年來，隨著逆變電源在各行各業(yè)應用的日益廣泛，采用正弦脈寬調制(SPWM)技術控制逆變電源提高整個系統(tǒng)的控制效果是人們不斷探索的問題。對SPWM的控制有多種實現(xiàn)方法，其一是采用模擬電路、數(shù)字電路等硬件電路產(chǎn)生SPWM波形，該方法波形穩(wěn)定準確，但電路復雜、體積龐大、不能進行自動調節(jié)；其二是借助單片機、DSP等微控制器來實現(xiàn)SPWM的數(shù)字控制方法，由于其內部集成了多個控制電路，如PWM電路、可編程計數(shù)器陣列(PCA)等，使得這種方法具有控制電路簡單、運行速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。本文介紹一種利用STC系列單片機實現(xiàn)SPWM波形的方法，并將由STCl2C5410AD產(chǎn)生的單極性SPWM波應用于單相逆變電源，實驗結果證明了利用其實現(xiàn)SPWM波形的可行性和有效性。

1 正弦脈寬調制技術SPWM
    SPWM控制方案有兩種：即單極性調制和雙極性調制法。單極性法所得的SPWM信號有正、負和0三種電平，而雙極性得到的只有正、負兩種電平。比較二者生成的SPWM波可知：在相同載波比情況下，生成的雙極性SPWM波所含諧波量較大；并且在正弦逆變電源控制中，雙極性SPWM波控制較復雜。因此一般采用單極性SPWM波控制的形式。
    由單片機實現(xiàn)SPWM控制，根據(jù)其軟件化方法的不同，有如下幾種方法：自然采樣法、對稱規(guī)則法、不對稱規(guī)則法和面積等效法等。理論分析發(fā)現(xiàn)面積等效法相對于其它方法而言，諧波較小，對諧波的抑制能力較強。而且實時控制簡單，利于軟件實現(xiàn)。因此本文采用面積等效法實現(xiàn)SPWM控制。
    圖l為SPWM面積等效法原理示意圖。

    假設所需的輸出正弦電壓為U0=Umsinωt，式中：Um為正弦波幅值。利用面積等效法正弦波小塊面積S1與對應脈沖面積S2相等的原則，將正弦波的正半周分為N等分，則每一等分的寬度為兀／N，計算出半個周期內N個不同的脈寬值。相關公式如下：
    正弦波S1面積為：
   
    逆變器輸入直流電壓為UD，脈沖面積S2與S1相等，即有：
   
    所以第k個區(qū)間的脈沖寬度δk
   
式中：M為調制度。N為半個周期內的脈沖個數(shù)。綜合考慮載波比、輸出諧波等因素，在此N取60。由上式計算出的SPWM脈寬表是一個由窄到寬、再由寬到窄的60個值的正弦表，將其存入STC單片機的ROM中以供調用。

2 STC系列單片機生成SPWM波原理
2．1 STC系列單片機簡介
    STCl2系列單片機是美國STC公司在8051單片機標準的內核基礎上改進推出的一個增強型功能的8051的單片機，從引腳到指令上完全與8051單片機兼容。最突出的特點就是其具有可編程計數(shù)器陣列PCA。以STCl2C5410AD為例，有四路可編程計數(shù)器陣列PCA／PWM。PCA含有一個特殊的16位定時器，有4個16位的捕獲／比較模塊與之相連。四個模塊的公共時間基準由PCA定時器決定，可以通過PCA模式寄存器CMOD SFR的CPSl和CPS0位確定。每個模塊可編程工作在4種模式下：上升／下降沿捕獲、軟件定時器、高速輸出或PWM脈沖輸出。文中SPWM生成功能主要靠PWM脈沖輸出模式完成。圖2即為PCA模塊脈寬調節(jié)PWM輸出模式框圖。

    在PCA PWM輸出模式中，當CLSFR的值小于{EPCnL，CCAPnL}時，輸出為低，當PCA CL SFR的值等于或大于{EPCnH，CCAPnH}時，輸出為高。當CL的值由FF變?yōu)?0溢出時，{EPCnH，CCAPnH}的內容裝載到{EPCnL，CCAPnL}中。這樣就實現(xiàn)了無干擾的更新PWM。要使能PWM模式，模塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位。本文中，SPWM波形是綜合使用了模塊O的脈寬調節(jié)(PWM)模式和模塊1的16位軟件定時器模式，通過軟件中斷的形式實現(xiàn)的。
    與此同時，STCl2C54lO單片機還具有快速A／D轉換功能。有一個lO位精度、8路通道的A／D轉換器?？梢苑奖愕膶斎搿⑤敵龅碾妷?、電流進行監(jiān)控和顯示。
2．2 SPWM波生成方法
    利用STC系列單片機產(chǎn)生SPWM波的基本原理是：將載波周期數(shù)值賦給PCA模塊l的16位捕獲／比較模塊寄存器CCAPlH(高8位)和CCAPlL(低8位)，PCA定時器的值CH(高八位)、CL(低八位)與模塊捕獲寄存器的值相比較，當兩者相等時，產(chǎn)生PCA中斷。在中斷中，調用模塊0的PWM脈寬調節(jié)模式，將下一個SPWM波的脈寬通過CCAP0H裝載到CCAPOL中，這樣就可以實現(xiàn)無干擾的更新PWM。
    圖3中即為由軟件實時計算好的一路單極性SPWM波形的脈寬示意圖。在每個固定的載波周期內，不同脈寬數(shù)值組成一個正弦表格的形式。若選用模塊O(P3．7)輸出此路SPWM，首先將模塊0的PCA模塊工作模式寄存器定義為8位PWM模式，將16位計數(shù)器定時器CH、CL清零，PCA PWM模式輔助寄存器O清零(保證捕獲寄存器EPCOH(高八位)、EPC0L(低八位)固定為零，PWM波比較的數(shù)值只與PCA模塊0的捕獲寄存器CCAPOH(高八位)、CC2APOL(低八位)有關)，模塊l的捕獲寄存器CCAPlH(高八位)、CCAPlL(低八位)送入載波周期的高八位和第八位數(shù)值，PCA比較／捕獲模塊寄存器1(CCAPMl)定義為使能比較功能，允許匹配產(chǎn)生中斷。將第一個脈寬值sin[0]裝入CCAP0H，開PCA模塊中斷及低壓檢測中斷，開總中斷，啟動PCA計數(shù)。當16位計數(shù)器／定時器的數(shù)值與模塊1中捕獲／比較寄存器的數(shù)值相等時，產(chǎn)生一個CCF中斷；在中斷程序中，清中斷標志位，重新給模塊1的捕獲寄存器CCAPlH(高八位)、CCAPlL(低八位)送入載波周期的高八位和第八位數(shù)值，將16位計數(shù)器定時器CH、CL清零，中斷次數(shù)i加1，將下一個脈寬數(shù)值sin[i]裝入CCAPOH以備比較。同時判斷是否到達最大數(shù)值N，若是，中斷次數(shù)i清零，同時將脈寬數(shù)sin[i]值送入CCAP0H，完成一個循環(huán)。這樣，周而復始，在P3．7引腳上將不斷產(chǎn)生隨著正弦規(guī)律變化的脈寬，從而得到準確的SPWM波。

2．3 軟件設計
    程序編寫采用KeilC51編程語言進行，整個程序由主程序和鍵盤中斷子程序以及PCA中斷子程序組成。主程序在系統(tǒng)初始化后進入SPwM脈寬計算程序，計算相應的脈沖寬度，形成正弦表格，等待中斷標志位以響應不同的中斷。由于SPWM波是不斷輸出的，必須將PCA中斷級別設置為最高。一旦有PCA中斷標志位，即轉入執(zhí)行其中斷子程序。圖4為PCA中斷子程序流程圖。在中斷服務程序中，注意CCF1位和CF標志位均由硬件置位，但不能自動清零，必須在中斷程序中由軟件清零。

    與此同時，系統(tǒng)可以響應鍵盤中斷子程序，由鍵盤控制通過液晶顯示屏監(jiān)控輸出電壓、電流的變化情況等。

3 實驗結果
    根據(jù)上述設計思路及編寫的軟件，用MIC442l驅動器驅動四個MOSFET器件FQAl60N08組成的逆變橋上進行實際調試。圖5為由單片機STCl2C5410輸出的兩路互補(有一定死區(qū)時間)單極性SPWM波。用這兩路互補信號直接驅動芯片MIC4421，其輸出信號再分別驅動逆變橋，經(jīng)低通濾波后的波形如圖6所示。

4 結束語
    實驗結果表明，此方法電路結構簡單，硬件設計和軟件編程切實可行。采用在線計算和查表技術相結合，較好的解決了實時控制的要求。同時采用單片機作為控制器件，不僅成本降低，而且調試方便，受外界干擾較小，有很好的實用性和可靠性。