基于Freescale单片机的SPWM控制技术

郝 隆 洪乃刚

（安徽工业大学，安徽 马鞍山 243000）

1 引言

随着汽车电子工业的发展，车内使用的用电设备越来越多，很多车载电器需要交流供电，而汽车只有+12V和+24V的直流输出，为保证各种车载电器的正常使用，车载逆变电源成为汽车必备的一部分。目前车载逆变电源多是普通简单的方波逆变器,并且采用模拟电路控制，由于其电路复杂、体积大、实现困难且不易改进等缺点已经渐渐不能满足要求。基于单片机输出SPWM的技术很好的克服了以上的缺点，利用软件实现SPWM输出，减轻了对硬件的要求，成本低，可靠性好。本文在对利用面积等效法产生SPWM脉冲原理进行分析的基础上，基于Freescale公司生产的一款MC9S12DG128单片机实现逆变器的SPWM控制。

2 面积等效法SPWM波产生的基本原理

在采样控制理论中有一个重要的结论: 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。把正弦波一个周期分成脉宽相等的2N等分，然后把每一等分（脉宽为π/N）的正弦曲线与横轴包围的面积分别用与此面积相等的等幅不等宽的矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与正弦波相应等分的中点重合。这种按面积相等原则构成与正弦等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，即正弦波脉宽调制（SPWM）波形。单极性和双极性正弦脉宽调制是正弦脉宽调制的两种基本形式，它们的面积等效算法原理图如图1（a）和（b）所示。

图1

设正弦波为y＝Msinwtdt ，矩形波幅值为1，可得

根据单极性SPWM面积等效算法，脉宽产生公式为

根据双极性SPWM面积等效算法，脉宽产生公式为

式（4）、（5）中，M为调制度，即正弦波的幅值；N为载波比，即一个正弦波周期内对应矩形脉冲的个数。

3 设计思路

3.1 硬件设计

采用Freescale公司生产16位单片机MC9S12DG128作为核心控制器件，该单片机具有8位8通道或16位4通道的PWM、2个8通道的A/D、增强型定时与捕捉模块（ECT）以及CAN、Byteflight接口等特点。

逆变电路采用IRF740来实现单相全桥逆变。IRF740具有开关频率高，驱动功率小，构成的功率交换器输出电压纹波小等特点。逆变电主电路如图2。

图2 逆变电路主电路

3.2 软件设计

利用面积等效算法计算出一个周期的正弦波对应的N个矩形波的脉宽值，并将这N个脉宽值以列表形式依次放在单片机的存储器ROM中，单片机的PWM模块根据矩形波的脉宽值计算出相应占空比的PWM脉冲，这一系列连续输出的脉冲就是我们想要得到的SPWM脉冲输出。将SPWM脉冲的频率设置为10kHz，N取值为100。

在单极性SPWM控制中，利用单片机PWM模块产生两路SPWM脉冲分别对应正弦波的正负半波，完整周期的两路SPWM互补波形如图3（a）所示。其产生原理是：单片机调用ROM中的100个矩形波脉宽值，经过一路PWM端口发出与之对应的脉冲序列后，关断此端口，延时10ms后打开，再次发出对应的脉冲序列，如此循环，形成了其中一路SPWM脉冲;同时将上述SPWM脉冲延时10ms后发出则可得到与其互补一路SPWM脉冲，从另一路PWM端口输出。如图3（b）所示为SPWM波形的一段，这段波形中的脉宽由窄逐渐变宽，符合SPWM变化规律。

图3

在双极性SPWM控制中，利用单片机PWM模块产生两路交替导通的SPWM脉冲，如图4（a）所示。其原理是单片机调用ROM中存储的数值，以高电平为起始状态，经过一路PWM端口发出SPWM波；同时，以低电平为起始状态，经过另一路PWM端口发出另一路SPWM波。如图4（b）所示为SPWM波形的一段，两路脉冲交替导通，符合变化规律。

4 实验分析

实验结果在直流电压为60V时负载运行所得的正弦波，单、双极性SPWM调制所得波形如图5所示。

图4

图5

本文介绍了基于Freescale单片机的SPWM控制技术，通过软硬件的结合，针对规则采样法谐波大的缺点，利用面积等效法较好地抑制了谐波。给出了具体的硬件实验系统及软件设计，分析实验结果波形后表明此方案切实可行，输出谐波较小，畸变率低，在对输出波形质量要求较高的车载逆变电源的逆变系统有较强的实用价值。

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