基于AT89C51的全数字SPWM发生器设计
刘小军
（西北工业大学）
摘要：主要介绍Ir SA8382单相SPWM发生器与AT89 C51单片机的接口电路，控制字的设置及其应用。该系统电路简单可靠，全数字控制，仅改变控制字就可以实现SPWM控制，并通过Multisim 2001对硬件电路进行了仿真。
关键词：单片机；正弦脉宽调制( SPWM)；电路仿真
中圈分类号：TP271+4 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2010)07-0102-04
0引 言
SPWM正弦脉宽调制技术已经广泛的应用于交流 电机调速系统、交流逆变电源、UPS电源等，SPWM是电力电子技术中的一门重要的基础技术，它直接影响到系统逆变输出的电压波形的控制精度、电源品质等指标。 本文给出了一种由AT89 C51单片机与SA8382无缝连接来实现SPWM控制的全数字方法，具有硬件电路简单、控制精确、不占用CPU软件资源等特点，给出了硬件连接图和程控参数的配置和计算方法。
1 单相SPWM发生器SA8382
SA8382是全数字单相SPWM波生成集成电路，该芯片具有2个TTL电平的PWM输出通道，用子控制H桥式电路上下桥臂的开关元件，可与大多数微处理器兼容，内部有12 bit电源频率寄存器和8 bit电源幅值寄存器可以同时调节频率和幅值。外部有源时钟采用12.5 MHz，电源频率可以达到4 kHz，载波频率可以达到24 kHz。内部384×8ROM对O度~90度波形进行存储，失真度小，精度高，最小脉宽和死区时间由控制字改写。
2硬件设计
2.1控制电路设计
控制器采用AT89C51单片机，配合SA8382使用，实现全数字SPWM调频调压控制。SA8382数据／地址线与单片机低地址位PO口直接相连，由P20高地址对其进行片选，P34、P35分别控制SA83;82的复位和输出关断设置。其硬件电路图的连接如图1所示。控制器时钟为有源时钟，频率为10 M Hz．
显示器采用4位LED共阳极数码管，第一位用于显示频率或电压模式，后三位显示频率或电压有效值。显示方式为串行显示，这样的显示方式硬件电路简单，节约了单片机UO日。
键盘采用4x4的矩阵式键盘，可以实现16个键的控制，其中10个键为数字设定0~9，其余的为电压设定、频率设定、步进增、步进减、确定键和清零键。该键盘可以控制输出电源频率1 Hz步进，有效值1V步进。
2.2功率驱动与逆变电路
本系统采用全桥逆变器实现D C/AC变换，通过桥式电路的输出为双极性SPWM波，再经过滤波电路输出稳定的正弦波。桥式电路的开关管为IR530，续流二极管采用SBYV27快恢复二极管，通过控制上下桥臂的导通和关断，在母线电路上将会产生双极性的SPWM波。
其硬件电路图如图2所示。为了保证E下桥臂不能直通，可以在SA8382中设置死区时间，另外驱动器IR2130输入端为低电平有效，故在SA8382的SPWM输出口可以加上反向器实现。
2.3调压、调频控制与实现
SA8382能与微处理器完全兼容，实现全数字调压、调频控制。以电压O~30 V，频率20 Hz~ 400Hz为例进行说明，电压可以1V步进、频率也可以实现1 Hz步进。
微处理器通过向其内部的2×24 bit寄存器写人数据予以实现，这两个寄存器分别为初始化寄存器和控制寄存器。初始化寄存器中包含了载波频率设置、电源频率范围设置、死区时间设置、最小导通时间和计数器复位设置；控制寄存器用于对电源频率、电源幅值、过调制和输出限制等参数。
由于SA8382数据／地址总线DO~ D7为8位，则在装入任一个24位寄存器的数据必须首先写入3个8位虚拟寄存器RO、Rl、R2，然后通过写寄存器R4，完成数据由虚拟寄存器向初始化寄存器的传递；通过写寄存器R3，完成数据由虚拟寄存器向控制寄存器的传递。向虚拟寄存器R3和R4中写入何种数据并不重要，只要是写指令即可。虚拟寄存器的地址和注释如表1所示。
(1)初始化寄存器的设置
载波频率堤定为FCARRY=5 kHz，时钟频率K=IO MHz，由公式
可以计算得n=4，对应Rl中3位CFS控制字为010；
电源频率****值
计算得m=7. 68，取m=8，对RI应中3位FRS控制字为011；
死区时间
计算得pdy= 12. 8，取pdy= 13，对应R2中6位控制字为110011；
最小脉宽
计算得pdt= 42. 15．取pdt= 42，对应RO中7位控制字为1010110。
通过以上计算，得到初始化寄存器的控制字见表2：
(2)控制寄存器的设置
电源频率
计算得pfs= 204. 8，对应RO和Rl的12位PFS控制字为000011001100；
输出封锁设置
INH=0，输出封锁有效，向控制寄存器中置数时，输出封锁必须有效；电源幅值设定假设电源幅值为母线电压的百分之80，则令APOWER= 80，通过公式
计算得A= 204，对应R2的8位AMP控制字为11001100。
通过以上得计算，控制寄存器的控制宇为表3：
以上控制字通过程序指令分步传送响应的寄存器即完成编程。对SA8382控制字传送的程序流程图如图3所示。
3电路仿真
硬件电路采用了Multisim2001系统软件进行了仿真，仿真中的元器件与实际硬件电路对应，SPWM发生采用正弦波和三角波综合而成，三角波载波频率为5 kHz，正弦波频率为20 Hz，由于死区时间的设定在仿真软件中比较难以实现，故忽略了死区时间。经过全桥逆变可以得到较为理想的正弦波。
4试验结果
SPWM波的上下桥臂波形如图4所示。从图中可以看出，上下桥臂的SPWM波互补．且有死区，死区时间为设定值5 μs；载波频率为5 kHz。
5结论
该系统可用于单相电机调速控制、逆变电源、UPS电源等。通过分析和试验证明SA8382单相sP-WM发生器与微处理器连接方便，硬件简单，控制精度高，调节方便等优点。在单相SPWM应用领域有较好的实用价值。
|
