论文部分内容阅读
摘 要：根据冲量效果不变理论，本文提出了规则采样算法计算PWM波的方法。详细描述了采用51单片机定时加计数实现PWM波形的程序设计方法。
关键词：PWM波形 程序 设计方法
中图分类号：TM401+.1 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）01（b）-0000-00
PWM（Pulse Width Modulation）技术既是一种调压技术，也是一种变频技术。此技术经历了一个不断创新和完善的发展过程，1964年，德国A.Schonung和H.Stemmler在《BBC评论》提出将通信中的PWM调制技术应用交流传动逆变器的控制上来，产生了正弦脉宽调制（SPWM）变压变频思想。该项技术现已广泛应用于各种控制系统中，数字化和智能化是PWM 技术发展方向。本文提出了利用51系列单片机定时器，通过规则采样算法实现PWM波形程序设计方法，该方法与硬件电路实现相比，具有更大的灵活性、适用性和更低的成本。
1 规则采样法PWM波形产生的基本原理
在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，效果基本相同。这结论是PWM控制的重要理论基础。如图1所示，将正弦波的一个周期N等分，看成由N个彼此相连脉冲组成的波形。这些脉冲宽度相等（都为2π/N），幅值按正弦规律变化。如果将上述脉冲序列用同样数量等幅而不等宽的矩形脉冲序列来代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积相等，就有的脉冲序列。这种幅值相等而脉宽按正弦规律变化且与正弦波等效的波形，即为SPWM波形。
示为PWM规则采样法示意图。取三角波两个正峰值之间为一个采样周期TC。使每个脉冲的中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合。也就是使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称。在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的通断。可以看出，用这种规则采样法得到的脉冲宽度δ和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。
2 软硬件结合系统实现
2.1 硬件设计
基于51系列单片机定时器控制的PWM控制技术硬件电路原理框图如图3所示。
PWM控制信号从51单片机的P1.0口输出，经隔离驱动模块中的光电隔离、驱动等环节控制逆变器模块中相应IGBT通断，实现PWM控制过程。最后将逆变信号输出给负载。该硬件电路包括：
（1） 51单片机最小系统模块，功能是实现复位、产生机器时钟、产生PWM矩形脉冲。
（2） 隔离驱动模块，功能是使单片机输出信号与外围模块（逆变器）的输
入信号相匹配。该电路包括光电隔离和功率IGBT电压驱动环节。
（3） 逆变器模块，功能是将直流电转换成交流电实现电力的逆变过程。该部分采用自关断器件IGBT实现单相全桥逆变。IGBT是全控型电力电子器件，它开关频率相对高，驱动功率小，构成的功率交换器输出电压纹波小，线路简单，是当今最具有应用前景的功率器件。
（4） 外扩存储器模块，图中该模块部分打上了虚线框，表示其应用要取决于实际应用系统。若实际应用系统要求PWM控制精度高，即一个调制波周期内产生的PWM矩形波串多，而此时AT89C2051单片机内部存储空间不够时，就要加上该模块。
2.2 软件设计
本设计分为规则采样算法子程序、定时中断子程序、主程序三个部分。
下面以PWM规则采样算法为理论基础详细介绍PWM波形的单片机C51程序设计方法。
（1） PWM规则采样算法子程序
已知正弦调制波频率为f，正弦量电流幅值为Ir，三角载波幅值为Ic，一个正弦调制波周期内产生的PWM矩形脉冲数量为k。另设采样次数为n（n=1，2，3，…，k）。
主程序包括系统初始化，PWM算法子程序和定时器初始化等部分。其程序流程图如图5所示。
在系统初始化程序中主要完成调制度M的计算和PWM脉宽调制波形输出I/O口初始化工作。PWM算法子程序完成PWM脉宽调制波形的脉冲宽度、间隔时间数值计算和存储工作。定时器初始化程序完成了51单片机定时器T0的工作方式设置、定时初值的设定和定时中断的设置工作。
（3）定时中断子程序
定时中断部分包括定时器的初始化设置和定时中断服务程序。流程图如图6和图7所示。该部分的作用为根据PWM规则采样算法子程序得到的数值作定时时间，利用定时中断服务程序使单片机P1.0端口输出产生PWM脉宽调制波形。
系统采用的晶振频率为12MHz，定时器T0选择的工作方式为工作模式1即16位定时器，其计数的最大值为216=65536。根据51单片机定时初值的计算公式可得定时时间为：
上式中定时时间t即为PWM规则采样算法子程序中得到的矩形脉冲时间段的数值。由以上定时中断流程图及程序清单可知利用单片机定时器产生PWM脉宽调制波的基本思想为：定时PWM脉宽调制波形时间段时间，定时时间到令单片机一I/O口线取反，从而达到了产生PWM脉宽调制波形输出的目的。
3 调试结果与分析
由51单片机P1.0口产生的双极性PWM控制方式波形在示波器上测得到波形如图7所示。表示系统在调制度为0.5，频率为10Hz，一个正弦调制波周期内产生的PWM矩形脉冲数量为6的条件下，一个正弦波周期内的PWM脉宽调制波形。由图8可以清楚的看到波形中的脉宽先由窄逐渐变宽，再由宽逐渐变窄，符合PWM脉宽调制波的变化规律。
4 结束语
本文介绍基于PWM规则采样算法，利用51单片机定时器T0产生PWM脉宽调制波形的方法很好地把软硬件技术结合在一起，用规则采样法实现了实时控制和在线产生PWM脉宽调制波形。与传统方法比较，它不仅可以简化测量和控制电路的硬件结构，而且可以方便地建立人机接口，实现软件调整参数，使控制更精确、实时、可靠。从最后的调试结果波形可以证明，采用本设计方法可以获得预期的精确PWM调制波形。该方法同样可以用于其他单片机控制系统中。
参考文献
[1] 王兆安，黄俊.电子电力技术[J].北京：机械工业出版社，2006.
[2] 赵文博，刘文涛.单片机语言C51程序设计[J].北京：人民邮电出版社，2005.
[3] 李宁.利用单片机定时器实现信号采样和PWM控制[J].微型机与应用，2004（7）.
[4] 刘黎.用单片机产生SPWM及制作小功率UPS[J].中南民族大学学报（自然科学版）， 2002，3，21（1）.
[5] 赵德元.由单片机控制的单相SPWM变频器的研究[J].微型机与应用，2003（3）.
[6] 唐中燕.基于单片机的单相SPWM变频器设计[J].电机电器技术，2004（4）.
[7] 吳岩.单片机在电子技术中的应用与开发技术研究[J].科技论坛，2011，3.
[8] 徐晓建.浅谈单片机应用系统的设计方法[J].科技资讯，2012，12.
关键词：PWM波形 程序 设计方法
中图分类号：TM401+.1 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）01（b）-0000-00
PWM（Pulse Width Modulation）技术既是一种调压技术，也是一种变频技术。此技术经历了一个不断创新和完善的发展过程，1964年，德国A.Schonung和H.Stemmler在《BBC评论》提出将通信中的PWM调制技术应用交流传动逆变器的控制上来，产生了正弦脉宽调制（SPWM）变压变频思想。该项技术现已广泛应用于各种控制系统中，数字化和智能化是PWM 技术发展方向。本文提出了利用51系列单片机定时器，通过规则采样算法实现PWM波形程序设计方法，该方法与硬件电路实现相比，具有更大的灵活性、适用性和更低的成本。
1 规则采样法PWM波形产生的基本原理
在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，效果基本相同。这结论是PWM控制的重要理论基础。如图1所示，将正弦波的一个周期N等分，看成由N个彼此相连脉冲组成的波形。这些脉冲宽度相等（都为2π/N），幅值按正弦规律变化。如果将上述脉冲序列用同样数量等幅而不等宽的矩形脉冲序列来代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积相等，就有的脉冲序列。这种幅值相等而脉宽按正弦规律变化且与正弦波等效的波形，即为SPWM波形。
示为PWM规则采样法示意图。取三角波两个正峰值之间为一个采样周期TC。使每个脉冲的中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合。也就是使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称。在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的通断。可以看出，用这种规则采样法得到的脉冲宽度δ和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。
2 软硬件结合系统实现
2.1 硬件设计
基于51系列单片机定时器控制的PWM控制技术硬件电路原理框图如图3所示。
PWM控制信号从51单片机的P1.0口输出，经隔离驱动模块中的光电隔离、驱动等环节控制逆变器模块中相应IGBT通断，实现PWM控制过程。最后将逆变信号输出给负载。该硬件电路包括：
（1） 51单片机最小系统模块，功能是实现复位、产生机器时钟、产生PWM矩形脉冲。
（2） 隔离驱动模块，功能是使单片机输出信号与外围模块（逆变器）的输
入信号相匹配。该电路包括光电隔离和功率IGBT电压驱动环节。
（3） 逆变器模块，功能是将直流电转换成交流电实现电力的逆变过程。该部分采用自关断器件IGBT实现单相全桥逆变。IGBT是全控型电力电子器件，它开关频率相对高，驱动功率小，构成的功率交换器输出电压纹波小，线路简单，是当今最具有应用前景的功率器件。
（4） 外扩存储器模块，图中该模块部分打上了虚线框，表示其应用要取决于实际应用系统。若实际应用系统要求PWM控制精度高，即一个调制波周期内产生的PWM矩形波串多，而此时AT89C2051单片机内部存储空间不够时，就要加上该模块。
2.2 软件设计
本设计分为规则采样算法子程序、定时中断子程序、主程序三个部分。
下面以PWM规则采样算法为理论基础详细介绍PWM波形的单片机C51程序设计方法。
（1） PWM规则采样算法子程序
已知正弦调制波频率为f，正弦量电流幅值为Ir，三角载波幅值为Ic，一个正弦调制波周期内产生的PWM矩形脉冲数量为k。另设采样次数为n（n=1，2，3，…，k）。
主程序包括系统初始化，PWM算法子程序和定时器初始化等部分。其程序流程图如图5所示。
在系统初始化程序中主要完成调制度M的计算和PWM脉宽调制波形输出I/O口初始化工作。PWM算法子程序完成PWM脉宽调制波形的脉冲宽度、间隔时间数值计算和存储工作。定时器初始化程序完成了51单片机定时器T0的工作方式设置、定时初值的设定和定时中断的设置工作。
（3）定时中断子程序
定时中断部分包括定时器的初始化设置和定时中断服务程序。流程图如图6和图7所示。该部分的作用为根据PWM规则采样算法子程序得到的数值作定时时间，利用定时中断服务程序使单片机P1.0端口输出产生PWM脉宽调制波形。
系统采用的晶振频率为12MHz，定时器T0选择的工作方式为工作模式1即16位定时器，其计数的最大值为216=65536。根据51单片机定时初值的计算公式可得定时时间为：
上式中定时时间t即为PWM规则采样算法子程序中得到的矩形脉冲时间段的数值。由以上定时中断流程图及程序清单可知利用单片机定时器产生PWM脉宽调制波的基本思想为：定时PWM脉宽调制波形时间段时间，定时时间到令单片机一I/O口线取反，从而达到了产生PWM脉宽调制波形输出的目的。
3 调试结果与分析
由51单片机P1.0口产生的双极性PWM控制方式波形在示波器上测得到波形如图7所示。表示系统在调制度为0.5，频率为10Hz，一个正弦调制波周期内产生的PWM矩形脉冲数量为6的条件下，一个正弦波周期内的PWM脉宽调制波形。由图8可以清楚的看到波形中的脉宽先由窄逐渐变宽，再由宽逐渐变窄，符合PWM脉宽调制波的变化规律。
4 结束语
本文介绍基于PWM规则采样算法，利用51单片机定时器T0产生PWM脉宽调制波形的方法很好地把软硬件技术结合在一起，用规则采样法实现了实时控制和在线产生PWM脉宽调制波形。与传统方法比较，它不仅可以简化测量和控制电路的硬件结构，而且可以方便地建立人机接口，实现软件调整参数，使控制更精确、实时、可靠。从最后的调试结果波形可以证明，采用本设计方法可以获得预期的精确PWM调制波形。该方法同样可以用于其他单片机控制系统中。
参考文献
[1] 王兆安，黄俊.电子电力技术[J].北京：机械工业出版社，2006.
[2] 赵文博，刘文涛.单片机语言C51程序设计[J].北京：人民邮电出版社，2005.
[3] 李宁.利用单片机定时器实现信号采样和PWM控制[J].微型机与应用，2004（7）.
[4] 刘黎.用单片机产生SPWM及制作小功率UPS[J].中南民族大学学报（自然科学版）， 2002，3，21（1）.
[5] 赵德元.由单片机控制的单相SPWM变频器的研究[J].微型机与应用，2003（3）.
[6] 唐中燕.基于单片机的单相SPWM变频器设计[J].电机电器技术，2004（4）.
[7] 吳岩.单片机在电子技术中的应用与开发技术研究[J].科技论坛，2011，3.
[8] 徐晓建.浅谈单片机应用系统的设计方法[J].科技资讯，2012，12.