一种基于C8051单片机的SPWM波形实现方案

1 引言

　　正弦脉宽调制（SPWM）技术已在交流调速、直流输电、变频电源等领域得到广泛应用，为了提高整个系统的控制效果，高性能SPWM脉冲形成技术一直是人们不断探索的问题。采用模拟电路和数字电路等硬件电路来产生SPWM波形是一种切实可行的方法，但是这种实现方法控制电路复杂、抗干扰能力差、实时调节较困难。近年来，人们提出了由单片机、DSP等微控制器来实现SPWM波形的数字控制方法[1][2]，由于微控制器内部集成了很多控制电路，比如定时器、PWM电路、可编程计数器阵列等，所以使得这种实现SPWM的方法具有控制电路简单、运行速度快、控制精度高、抗干扰能力强等优点。本文介绍了一种利用C8051单片机实现输出频率可变SPWM波形的方法，并将由C8051F040产生的单极性SPWM波应用于单相频率可调逆变电源，实验结果证实了利用C8051实现SPWM波形的可行性和有效性。

2 SPWM技术原理

　　SPWM技术的基本原理是利用一个三角波载波和一个正弦波进行比较，得到一个宽度按正弦规律变化的脉冲序列，用它们来驱动逆变器开关管的开关转换。由微控制器来实现SPWM波形的方法有表格法、随时计算法和实时计算法，但前两种无实时处理能力[2]。采用实时计算法要有数学模型，其中一种较为常用的是采样型SPWM法，它分为自然采样法、对称规则采样法和不对称规则采样法。本文采用对称规则采样法，即利用经过采样的正弦波（实际上是阶梯波）与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。图1是典型的单极性对称规则采样法，它只在三角波的峰值时刻采样正弦调制波并将采样值保持，分别取保持值和三角波交点作为脉冲宽度时间。图中Ts为三角波的周期，同时也是采样周期；Ur为三角波的高，正弦波为Ucsinωt。根据三角形相似关系，得到

　　所以

　　其中，M=Uc/Ur为调制比，t为采样点（这里为顶点采样）的时刻。则脉冲宽度为

　　采样点时刻t只与载波比N有关。对于图1情况有t=kTS+θ，其中k=0，1，2，…，N-1，θ=180/N度。

图1 对称规则采样法

　　在对称规则采样情况下，只要知道采样点时刻t就可以确定这个采样周期内的脉冲宽度tpw和时间间隔toff，从而可以计算出SPWM波形高、低脉冲的宽度。

3 C8051实现SPWM波形的原理及算法

3.1 C8051F系列单片机PCA简介

　　C8051F系列单片机都具有一个可编程计数器阵列PCA，以C8051F040为例，PCA包含1个专用的16位计数器/定时器和6个16位捕捉/比较模块，可以输出6路PWM波形。如图2所示，16位PCA专用计数器/定时器的时基信号可有多种选择，可通过配置相关的系统控制器的特殊功能寄存器（SFR）来实现。每个捕捉/比较模块有自己的I/O线CEXn，可通过配制交叉开关寄存器（XBR0）将每个模块的I/O线连接到端口I/O；每个模块都可配制为独立工作，有四种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输

图2 PCA原理框图