酷开电视系统:基于AVR单片机的SPWM变频调速控制策略

摘要：重点讨论了一种新型单片机—AVR高速嵌入式单片机在交流变频调速中的应用，并给出了软硬件设计方法，同时利用等效面积法生成SPWM脉冲序列，较好的解决了控制精度和实时控制的要求，理论分析和仿真实验证明该方法可行。
关键字：AVR单片机; SPWM波; 等效面积法; 变频调速

引言
    近年来，随着自关断器件的不断发展，采用以正弦波作为参考电压的SPWM（正弦脉宽调制）控制的VVVF变频调速,已成为交流异步电机调速的主流。IGBT作为新一代全控型电力电子器件，综合了MOSFET和GTR的优点，开关频率高、驱动功率小，构成的功率交换器输出电压纹波小，线路简单，是当今最具有应用前景的功率器件。
    早期使用模拟电路元件生成SPWM波形，所需硬件较多，算法不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术的发展，研究重点转移到以MCU、DSP为主的数字方案。
    本文介绍一种由AVR高速嵌入式单片机输出的SPWM脉冲序列控制变频调速的方法。

1 SPWM波形生成策略
1.1 常用算法比较

    微机控制的SPWM算法有多种，常用的有自然取样法和规则取样法。自然取样法（图1a）采用计算的方法寻找三角载波UΔ与参考正弦波UR的交点作为开关值以确定SPWM的脉冲宽度，这种方法误差小、精度高，但是计算量大，难以做到实时控制，用查表法将占用大量内存，调速范围有限，一般不采用。规则取样法（图1b）采用近似求UΔ和UR交点的方法，通过两个三角波峰之间中线与UR的交点作水平线与两个三角波分别交于A和B点，由交点确定SPWM的脉宽，这种方法计算量相对自然取样法小的多，但存在一定误差。本文采用等效面积法。
1.2 等效面积法

    把一个正弦半波分为N等分，每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相同的等高矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合，这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正弦半波等效，显然这一系列脉冲波形的宽的和开关时刻可以严格地用数学方法计算得到。
 

    如图2所示，在区间[t,t+Δt]，正弦波面积为S1,则有：
 
    式中M为调制深度，US为直流电源电压。
    对应图中脉冲面积                            (2)
    将正弦信号的正半周N等分，则每份为π/N弧度，由图知脉冲高度为US/2,设脉冲宽度为δK，则第K份正弦波面积与对应的第K个SPWM脉冲面积相等，解得：
    如图2所示，IGBT的开关时间按如下计算：
    IGBT开启时刻：           (4)
    IGBT关断时刻：   (5)

2 AVR单片机控制系统
2.1 AVR单片机结构特点：
    AT90系列单片机为ATMEL公司生产的新一代基于AVR增强功能、RISC结构的、低功耗CMOS技术的微处理器。
    1) 哈佛双总线结构，使程序存储器和数据存储器分开。使用RISC指令集，指令周期绝大部分为单周期指令。有相当高的执行速度，8MHz频率下工作的AVR相当于224MHz频率下工作的普通MCS51。
    2) AVR核为32个通用工作寄存器与丰富指令集的组合，32个寄存器全部直接地与运算逻辑单元连接，这种组合机构具备的代码效率比完成同样处理能力的常规CICS微处理器要快10倍以上，从而解决了MCS51的累加器A的瓶颈问题。

    3) 内置晶振的可编程看门狗定时器、片内模拟比较器、SPI串口和UART串口，有几种产品有8—10位的A／D转换器。有带比较和捕获模式的定时／计数器，且具有PWM功能，PWM可以在双8值、9位或10位下自运行、抗误、节拍修正操作。同时还有一路输入捕获口，可以捕获引脚ICP上的上升和下降沿。
    4) AVR单片机内置可重复编程的FLASH程序存储器和EEPROM数据存储器，最大可达256K的EEPROM，可用于保存运动参数，便于现场参数修改，这使得它用在运动控制方面有很大的灵活性。同时AVR单片机还支持对存储器的在系统编程。
    这些特点使得AT90系列单片机成为一种满足许多需要的、具有高度灵活性和低成本的嵌入式控制应用的高效微控制器。本文采用AT90LS8535芯片，8K可重复编程FLASH,512字节的SRAM,三路PWM通道，8路10位A/D。
2.2 控制规律
    在高频段（f≥50Hz）和低频段（f≤10Hz）采用恒功率控制，可加大调速范围，中频段采用恒转矩控制。为使输出波形对称性好、谐波分量小，系统采用分段同步调制，以保证整个变频范围内的开关频率变化不是很大。每个频段载波比N为恒定值，不同频段的N不同，为了计算快速，余弦采用查表方式，余弦三角函数表在0°～360°范围内，每隔0.1度存一个余弦值，每个余弦值由16位二进制构成，其中最高位为符号位，后15位表示数值位。整个余弦函数表预先存在EPROM中，占用了近8K字节的寄存器。为保证三相互差120°，N应设为3的整数倍。
2.3 硬件结构：
    系统框图SPWM变频调速系统结构图略可向作者索取，IGBT的驱动模块采用富士电机公司的EXB841驱动器，AT90LS8535输出的三相脉宽调制SPWM波经分相与开通延时电路分为六路输出，分别控制EXB841的光耦，以驱动6个IGBT功率器件；40脚的PA0作为A/D采样输入口，采样电位器给定频率；16脚的INT0外部中断作为电路故障信号（过流、过压等）的输入脚；
    由于AT90LS8535芯片复位时端口的初始状态是“高”，因此封锁信号和驱动信号均设为“低”电平为无效状态；PWM的载波周期由片内定时器T0完成；定义T/C1控制寄存器TCCR1A和T/C2控制寄存器TCCR2，使T/C1、T/C2工作在8位PWM模式。PD4（OC1B）、PD5(OC1A)、PD7（OC2）作为三相PWM输出口；扩展8279键盘显示接口芯片，可自动完成键盘的扫描输入和LED的扫描显示输出，节省了CPU对键盘/显示器的操作时间。内部有硬件看门狗，防止程序跑飞。

3 系统软件设计
    采用模块化设计思想，包括主程序、T/C0中断服务子程序、外部中断服务子程序、键盘显示子程序等。
     主程序的主要任务是对逆变器的输出频率进行采样，计算调制深度M、载波比N、载波周期定时常数T,确定正弦时标。计算脉冲宽度，根据(4)、（5）式计算出三相开关点TonU,TonV,TonW,ToffU,ToffV,ToffW，主程序流程图略可向作者索取。
    T/C0中断服务程序:定时时间到达载波周期T后，CPU执行T/C0中断服务程序，读开关点数据，计算各相占空比，存储在相应PWM控制寄存器中，PWM使能，向端口发送驱动信号。程序流程图3所示。

    外部中断服务程序：当IGBT上发生过流时，EX841立即向单片机申请中断，CPU发出指令封锁所有输出，有效地保护各功率器件。

5实验及结论
    按照上述的设计思想，开发了单片机控制系统的软硬件，程序由ICCAVR编写，在SL-AVR实验开发机上调试通过，输出波形经示波器观察，SPWM波形线性度较好，当给定频率改变时，三相线电压基本保持对称。
    采用等效面积法生成的SPWM波形精度高，更接近正弦波，且谐波分量小，同时也对CPU的运算速度提出更高要求。本文利用高速嵌入式AVR单片机产生SPWM脉冲序列，与专用控制芯片相比，具有速度快、精度高、算法灵活等特点，同时由于AVR单片机价格低廉，编程开发方便，在低成本的变频调速系统中有良好的发展前景。