用GMS97C2051實(shí)現(xiàn)的三相SPWM波形發(fā)生器

摘要：GMS97C2051是LG公司生產(chǎn)的與MCS51系列兼容的20腳小型化CPU芯片，具有價(jià)格便宜、功能完善的特點(diǎn)。文中介紹了利用該芯片實(shí)現(xiàn)逆變器控制所必需的SPWM發(fā)生器的原理和方法，并對(duì)CPU的計(jì)算過(guò)程、軟件設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 不對(duì)稱規(guī)則采樣SPWM PWM調(diào)制 GMS97C2051

1 引言

在中小功率的三相逆變器中，脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)已獲得了廣泛應(yīng)用。PWM的實(shí)現(xiàn)方法也多種多樣，有模擬電路方法、數(shù)字電路方法和軟件計(jì)算方法等，為了提高PWM的輸出質(zhì)量和可靠性，一些模擬電路或數(shù)字電路的PWM都通過(guò)專用集成電路芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，如HEF4752、SA8282等，然而這些芯片價(jià)格較高。我們利用廉價(jià)的GMS97C2051單片機(jī)通過(guò)不對(duì)稱規(guī)則采樣SPWM算法來(lái)輸出高精度的三相SPWM波形，從而實(shí)現(xiàn)了逆變器的SPWM控制。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法簡(jiǎn)單可行。

2 不對(duì)稱規(guī)則采樣SPWM算法

不對(duì)稱規(guī)則采樣SPWM算法是在三角形載波的頂點(diǎn)和底點(diǎn)對(duì)調(diào)制波進(jìn)行采樣以形成階梯，并用此階階梯波與三角波的交點(diǎn)來(lái)確定PWM。由于在一個(gè)三角形載波周期中需采樣兩次，因此采樣周期是載波周期的一親。設(shè)調(diào)制比為M，采樣周期為T(mén)s，則在三角形頂點(diǎn)采樣計(jì)算的脈沖數(shù)據(jù)ton、toff以及在三角形底點(diǎn)采樣計(jì)算的脈沖數(shù)據(jù)t'on、t'off分別為：

ton=Ts(1+Msinωt1)/2

toff=Ts(1-Msinωt2)/2

t'on=Ts(1+Msinωt2)/2

t'off=Ts(1-Msinωt2)/2

脈沖寬度為：

tpu=Ts[1+M(sinωt1+sinωt2)]/2

式中t1、t2分別為頂點(diǎn)采樣和底點(diǎn)采樣所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。

不規(guī)則采樣SPWM算法在載波比（即三角波與調(diào)制波頻率之比）等于3的整數(shù)倍時(shí)，輸出SPWM不存在偶次諧波分量，其它高次諧波的幅值也較小。

3 算法在GMS97C2051中的實(shí)現(xiàn)

考慮到三相逆奕器輸出電壓的對(duì)稱性，可以取載波比N為3的整數(shù)倍，這樣每個(gè)采樣周期Ts所對(duì)應(yīng)的電角度為π/N，而三相互差的120°電角度應(yīng)為2Nπ/3，因此在上述的三角形的頂點(diǎn)和底點(diǎn)的采樣計(jì)算的脈沖數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的不規(guī)則采樣規(guī)律可表示為：

ton=Ts[1+Msin(kπ/N)]/2

toff=Ts[1-Msin(kπ/N)]/2或

ton=Ts[1+Msin(k-2n/3)π/N]/2

toff=Ts[1-Msin(k-2N/3)π/N]/2或

ton=Ts[1+Msin(k+2N/3)π/N]/2

toff=Ts[1-Msin(k+2N/3)π/N]/2

式中k為采樣次數(shù)。

以上三組公式分別為逆變器U、V、W相的脈沖計(jì)算規(guī)律。設(shè)逆奕器的輸出頻率為f,則有：

2NfTs=1

一般來(lái)說(shuō)，逆變器的輸出電壓需隨頻率的變化而改變，即要求調(diào)制比M隨逆奕器輸出頻率發(fā)生變化，其變化的規(guī)律由負(fù)載的需要來(lái)決定。如逆變器用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行則在電額定頻率以下，通常希望得到恒定的U/f比控制，那么，則應(yīng)有：

M=A+Bf

其中A、B是與電機(jī)參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

綜合上述分析，在逆變器輸出頻率已知的情況下，根據(jù)逆變器開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率限制可選擇恰當(dāng)?shù)妮d波比N，并可根據(jù)T=1/(2nf)得出周期Ts，再根據(jù)負(fù)載情況算出應(yīng)采用的調(diào)制比M，那么根據(jù)U、V、W相的脈沖計(jì)算方式即可計(jì)算出逆變器U、V、W相的SPWM波形，因此整個(gè)計(jì)算過(guò)程可在單片機(jī)中完成。通常事先將正弦函數(shù)值計(jì)算好作為表格保存，以供計(jì)算過(guò)程中實(shí)時(shí)計(jì)算查詢。

4 微機(jī)控制系統(tǒng)

圖1所示為整個(gè)GMS97C2051微機(jī)控制系統(tǒng)的軟件流程圖，下面先對(duì)于GMS97C5051作一簡(jiǎn)單介紹。

GMS97C2051芯片也是小型封裝MCU系列中一員，有20個(gè)引腳、15個(gè)I/O線、2個(gè)6位定時(shí)器、串行通訊接口和2k存儲(chǔ)器/128RAM等，適合于許多要求集成度高、成本低的場(chǎng)合。逆變電路開(kāi)關(guān)器件的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)由GMS97C2051CPU的P1.7～P1.2提供，經(jīng)光耦反相后送開(kāi)關(guān)器件，這樣可避免CPU復(fù)位時(shí)開(kāi)關(guān)器件發(fā)生直通短路故障。逆奕器的輸出頻率指令由主控芯片發(fā)出，通過(guò)串行通訊接口傳送到GMS97C2051，再通過(guò)串行中斷子程序完成逆變器輸出頻率指令的接收，最后選定相應(yīng)的載波比N，并計(jì)算出采樣周期Ts和調(diào)制比M，以完成SPWM的控制計(jì)算準(zhǔn)備工作。

SPWM的條樣周期由GMS97C2051的定時(shí)器T0來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)T0定時(shí)器溢出時(shí)，進(jìn)入到定時(shí)器T0中斷服務(wù)子程序，完成逆變器U、V、W相的PWM開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算，若將該數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)化為三相定時(shí)器初值，則可通過(guò)定時(shí)中斷方法輸出各相的PWM信號(hào)。然而，由于GMS97C2051的內(nèi)部只有兩個(gè)定時(shí)器，無(wú)法滿足三相開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)獨(dú)立定時(shí)的要求，因此必須對(duì)相定時(shí)數(shù)據(jù)作合并處理。具體方法是：在T0中斷服務(wù)程序中，將前面計(jì)算出的三個(gè)開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)在時(shí)間坐標(biāo)上投影（實(shí)際上是按時(shí)間的大小排序），得出每個(gè)時(shí)間段的時(shí)間間隔及其對(duì)應(yīng)的三相開(kāi)關(guān)標(biāo)志，在將其轉(zhuǎn)換成T1定時(shí)器初值后作為實(shí)時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)保存內(nèi)存單元中，并將第一個(gè)定時(shí)初值送T1，同時(shí)啟動(dòng)T1開(kāi)始定時(shí)。

T1定時(shí)器用于完成計(jì)算出的PWM數(shù)據(jù)的定時(shí)，并輸出相應(yīng)的SPWM波形。當(dāng)T1定時(shí)器溢出時(shí)，進(jìn)入定時(shí)器T1中斷服務(wù)子程序，完成U、V、W三相SPWM信號(hào)的輸出，并取下一個(gè)T1定時(shí)器初值和三相開(kāi)關(guān)標(biāo)志，重新進(jìn)行下一個(gè)時(shí)間間隔的一時(shí)，直到一個(gè)采要的各個(gè)時(shí)間間隔數(shù)據(jù)依次執(zhí)行完為止。

若需要實(shí)現(xiàn)SPWM發(fā)生器的故障保護(hù)功能時(shí)，可以利用GMS97C2051的外部中斷0來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)有故障需要封鎖SPWM，可在該CPU的引腳6上輸入一個(gè)負(fù)跳變的中斷請(qǐng)求信號(hào)，CPU在中斷服務(wù)程序中將P1.7～P1.2全部置為高電平開(kāi)關(guān)閉T0、T1中斷即可。待故障消除后，重新開(kāi)放T0、T1中斷，這樣CPU又可繼續(xù)輸出SPWM輸出。

5 結(jié)論

采用GMS97C2051小型單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)不規(guī)則采樣SPWM算法可為逆奕器提供質(zhì)量高、性能穩(wěn)定、無(wú)漂移的全數(shù)字化三相SPWM調(diào)制波，而且比SPWM發(fā)生器具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉、可靠笥高等優(yōu)點(diǎn)。如果將該實(shí)現(xiàn)方案移植到PHILIPS公司的小型化低價(jià)格系列MCU芯片P87LPC762上，由于該芯片具有片內(nèi)復(fù)位、片內(nèi)振蕩、片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器等功能，因此僅由一片P87LPC762接通電源和地線即可輸出SPWM波，這樣，就真正實(shí)現(xiàn)了單片SPWM發(fā)生器的效果，其結(jié)構(gòu)將更簡(jiǎn)單、價(jià)格也會(huì)更便宜。