基于单片机和sa828的spwm波形发生器的设计

基于单片机和sa828的spwm波形发生器的设计内容摘要：

的算法 [16]，并分析它们的特点。 （ 1）自然采样法 按照正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度与间隙时间（功率器件关断区间的 采样，从而生成 SPWM 波形，叫做自然采样法。 自然采样法能准确地生成 SPWM 正邵阳学院毕业设计 (论文 ) 11 弦波脉宽调制波形。 但是由于求解脉冲宽度时，需要解超越方程，求解费时较长，实时性差，工程应用中常采用规则采样法。 （ 2）规则采样法 为简化计算量，将脉冲中点与三角波中点重合，即使每个脉冲关于三角波峰点左右对称，这样会使计算工作量大为减少。 规则采样可以对三角波正峰值和负峰值时刻采样，对正峰值采样，脉冲宽度明显偏小控制误差大，因而人们普遍采用负峰值采样。 如图 所示 ，在三角波负峰值时刻 Dt 对正弦波采样，以该时刻的采样值过 D 点 作一水平线，水平线与三角波的交点分别为 A 和 B，对应的时刻分别为 At 和 Bt ，在 At 、Bt 时刻控制功率开关器件的通断，可以得到这种规则调制下的脉冲。 这种调制得到的脉冲 同自然采样法得到的脉冲宽度非常接近，时间上略有差异。 u cuO tu rT cA DBO tu ot A t D t B  39。  39。 22 图 规则采样法 由图 ，可得到下列关系式 2 sin ( )cDT h th hM    （ ） 在 （ ） 式中 cT 为三角载波的周期， h 为三角载波的幅值。 由此可以求出脉冲 宽度 (1 sin ( ))2c DT Mt （ ） 可以看出负峰值时刻即采样点时刻 Dt 只与载波比 N 有关，而与调制比 M 无关。 在图 中， Dt =k cT k=0， 1， 2… .， N1。 则  =2 CNT ，从而 （ ） 式可具体化为 2(1 s in ( ))2cT Mk N  （ ） 邵阳学院毕业设计 (论文 ) 12 在三角波一周期内，脉冲两边的间隙宽度 12( ) (1 si n ( ) )24 cc TT M k N     （ ） 对于三相桥式逆变电路，应该形成三相 SPWM 波形，通常三角载波是三相公用的，三相正弦调制波依次相差 120176。 设在同一 个 三角波周期内三相的脉冲宽度分别为 a 、 b 、 c ，其间隙宽度分别为 a 、 b 、 c ，由于在同一时刻三相正弦调制波电压之和为零，故由式 （ ） 式有 a + b + c =32 cT （ ） 同理，由式 （ ） 式有 a + b + c =34 cT （ ） 这样，在实际变频装置开发中，可以利用微机计算出 A 相波形所需的数 a 和 a ，在编制控制程序采用移相的方法就可以得到所有的三相 SPWM 波形数据。 综上所述，自然采样法计算过程复杂，计算量很大，难以用数字方法实时实现；规则采样法是自然采样法的近似实现 ，它通过调制波的采样点对时间轴作 平行线，该平行线和三角载波的两个交点对应的时刻即为 PWM 脉冲的跳变 时刻，它不需精确计算调制波和三角载波的真实交点，而且输出的脉宽波形对三角波峰谷或峰值具有对称性，只要计算出正跳变的发生时刻，根据三角载波周期，即可很容易地计算出负跳变发生的时刻，因此规则采样法计算量比起自然采样法大大降低，也容易实现。 其代价就是牺牲了调制精度，跟随精度不如自然采样法高。 所以，为了提高调制精度 ， 减少谐波， 论文 采用一块 高性能集成芯片 SA828 结合单片机， 设计 了一个 SPWM 波形发生器 ， 该波形发生器硬件电路简洁，软件计算量也很少， 方法简洁 可靠 ， 稳定 性高。 邵阳学院毕业设计 (论文 ) 13 3 基于单片机和 SA828 的 SPWM 波形发生器的设计 本章 重 点介绍基于单片机 和 SA828 的 SPWM 波形发生器的设计，主要内容包括系统的整体方案设计及系统的硬件电路、软件编程等，最后搭建实验平台，进行实验 ，并分析了实验结果。 整体方案设计 考虑到实验条件和手段， 设计采用开环控制 ， 即按实际要求输出一定频率的SPWM 波形。 设计采用 89S51 单片机 作为核心 处理器 ， 用 74HC373 设计一个 I/O口扩展电路， 实现 了 A/D 转换输出 的 数据 与 SA828 输入控制数据的选通。 通过 数码管显示输出频率的大小。 系统整体方案 如图 所示， 相应电路 原理图见附 录 1。 单片机 SA 8282A / D 转换电路数码管显示6 路 SPWM 波电压信号 图 系统整体方案 图 硬件电路设计 单片机最小系统设计 单片机即是微控制器，它集中央处理器、存储器、输入 /输出电路为一体，可以完成复杂运算、逻辑控制、通信等功能。 单片机 最小 系统包括晶振、复位、电源、系统的输入控制、输出显示，以及其他外围模块（如通信、数据采集等 ） [17]，如图 所示。 其他外围器件输入控制电源时钟电路 复位电路输出显示单片机 图 单片机最小 系统组成 邵阳学院毕业设计 (论文 ) 14 （ 1） 电源电路 电源是任何电子设备不可或缺的能量来源 ， 尤其对于工作在一定频率下的单片机系统 ， 电源的好坏是其能否可靠运行的保证。 设计一个高效、可靠 、 抗干扰能力强的电源 ， 对于整个电子设备的稳定工作是必不可少的环节。 单片机的电源 一般 是市电经过变压、整流、稳压、滤波等处理过程之后提供 的。 大部分的电子元件的工作电压都是 +5V，单片机正 常工作或者对片内 EPROM写入程序时， 接 +5V电源， 5V电源的电路原理图如 图。 AC220 VIN OUTGND7805T VD 1 VD 4U 0 = 5 VC 1 C 2 C 3 C 4 图 电源 电路 原理图 图 ， C1=220μF， C2=， C3=， C4=1000μF。 为了达到最佳的滤波效果，除了选择合理的电路结构以外 ， 在安装时，应尽量将滤波器的输 入和输出端远离 开 端 ， 并剪短电容器的导线 ， 遵循导线贴地布线的原则。 经验表明 ， 电源的接地阻抗越小 ， 负载间的耦合就越少。 较为经济的做法是采用负载分离供电的方法。 也就是说 ， 如果是单纯的最小系统 ， 应尽量减少电源接地阻抗 ， 否则 ， 就应当将其他负载与最小系统分离供电。 电源接地是一种较为简便易行的抗干扰措施 ， 但同时 ， 它又是需要很多实 践经验和分析能力的技术。 单片机工作的环境含有不同性质的电源（如数字地、模拟地 )， 并且 ， 环境中不同设备的工作电压、电流和功率也有较大差异 ， 因此 ， 安全合理接地关键地位突现 ， 尤其在 PCB设计中，能够 采取适当的接地措施，结合经验，在接地问题上可以考虑使用如下方法 ： 分别给数字地和模拟地、 交流和直流地建立接地通路，保证其相互隔离，减少线间耦合；采取一点接地，即进行 PCB布线时将几条接地通路接到电源公共点上，保证电源电路的低阻抗；电源接地时，应尽可能使接地通路连接到阻抗最低的接地导体上避免横向导通。 （ 2） 时钟电路 邵阳学院毕业设计 (论文 ) 15 时 钟电路，即晶振 电路。 单片机的工作流程就是在系统时钟作用下，一条一条地执行存储器中的程序。 单片机内部的时钟电路组成，晶振的频率越高，单片 机处理数据的速度越快，系统功耗也会相应增加，稳定性也会下降。 单片机系统常用的晶振频率有 6MHz、 、 12MHz、 、 24MHz。 其中， 在串口通信系统中经常用到。 常用的时钟电路如下图 所示。 C 1C 2X 1Crystal89 S 51XTAL 230 pF30 pFXTAL 2 图 常用的时钟电路 晶振在 ~12MHz 之间选择， 微调电容 C C2 可在 5pF~60pF 之间选择。 时钟电路是对于干扰噪声敏感的部位， 又是单片机系统的主要噪声源。 因此，必须可靠解决这一矛盾体。 经过 反复研究， 有如下要求 ： ① 时钟脉冲电路要尽量靠近 MCU， 引线应短而粗 ； ② 用地线包围振荡电路 ， 并将晶体振荡器外壳接地 ； ③ 振荡电路电容要性能稳定 ， 容量准确 ， 在 PCB 布局中远离发热元件； ④整个系统走线中 ， 大电流信号线 ， 电源变压器要远离晶振走线； ⑤ 如果时钟电路为其它芯片提供时钟，应充分做好隔离； ⑥ 若是双面印制电路板 ， 有导线不可避免的经过时钟电路 ， 走线应该直、交叉但不能平行。 （ 3）复位电路 复位是单片机初始化的操作， 他的功能是把 PC 初始化为 0000H，使单片机进入正常的初始化 操作或在由于程序运行出错、 操作错、操作错误而死锁时 ， 摆脱困境。 常用的复位电路有上电复位和手动复位两种 ， 如图 所示。 实际应用中 ， 图 所示的加入施密特电路的复位电路，特别适用于现场干扰强、电压波动大的工作环境。 二极管 D 可在电源因某种干扰瞬间断电时可以使电容迅速放电，从而保证了电源恢复后单片机可靠复位。 否则 ， 将导致程序失控 ， 电源瞬间断电干扰会使程序“跑飞”或进入“死循环”。 除此而外 ， 一般不应 将复位按钮引出 ，当某些仪器将复位按钮安装在操作面板上时 ， 应采用双绞线 ， 甚至是屏蔽线作为引线 ，邵阳学院毕业设计 (论文 ) 16 而且要远离交流用电设备。 还要说明的是电源的稳定与否也会影响单片机的复位 ， 若电源电压上升缓慢 ， 稳定过渡时间过长 ， 将会导致系统复位不可靠。 V C CV C CCR S T / V p dV S S8 9 S 5 1R 21 k2 2( a ) 上 电 复 位R 1( b ) 手 动 复 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 图 复位电路 74 HC 14RESETVCCRCF22k1+ 图 抗干扰复位电路 （ 4） EA 脚的功能及接法 单片机的 EA 脚控制程序从内部存储器还是从外部存储器读取程序。 由于现在单片机内部的 flash 容量都很大，因此基本都是从内部的存储器读取程序，即不需要外接 ROM 来存储程序，因此， EA 脚必须接高电平。 SA828 的特点及其外围电路设计 SA828 的引脚如图 所示 [18]， （ 1） SA828 的结构说明 SA828 为 28 引脚的双列直插式芯片，其引脚功能如下 ： AD0~AD7： 8 位地址、数据的复用总线。 其可与单片机的 I/O 口直接相连，为提高单片机的带负载能力可加一个上拉电阻 ，一般取 5~10k 即可 ； WR ： CPU 写 选通信号 ； 邵阳学院毕业设计 (论文 ) 17 RD ： 读选通信号，设计中如果不需从 SA828 内部读取数据可其引脚接高电平 ； ALE： 地址锁存允许端 ； CS ： 片选信号输入； CLK： 外部时钟输入，当 CLK 为 时，载波频率最高可达 24kHz； RPHT、 RPHB、 YPHT、 YPHB、 BPHT、 BPHB： 三相 PWM 波输出端，每一输出端的第一字母 R、 Y、 B 对应于逆变器的 U、 V、 W 三相，最后一个字母T、 B 表示该项的上下两个桥臂。 当 SA828 关闭 PWM 输出时，上述 6 路输出均为低 ； TRIP： 当 SET TPIP 端信号出现时， TRIP 为低，指示故障关闭状态 ， 使用时外接 LED； ZPPR、 ZPPY、 ZPPB： 分别为 U、 V、 W 相零相位脉冲，对应于本相输出波形的零度。 WSS： 波形同步采样信号。 频率为输出频率的 1536 倍。 该信号以零相位脉冲一起可用来检测电机转子的位置。 在做一般的变频器使用时 ZPPX 与 WSS 可不用 ； RST ： 内部计数器复位端，初始化是置 RST =0， 无 PWM 波输出 ； SET TPIR： 当该端为 1 时， SA828 立即锁存此信号 ， 关闭 PWM 输出 .。 该端可接逆变器故障检测输出。 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。