1、基于 AVR 單片機的 SPWM 變頻調速段策略中南大學機電（410083）摘要：重點討論了一種新型單片機AVR 高速單片機在交流變頻調速中的應用，并給出了軟硬件設計方法，同時利用等效面積法生成 SPWM 脈沖序列，較好的解決了精度和實時的要求，理論分析和實驗證明該方法可行。關鍵字：AVR 單片機，SPWM 波，等效面積法，變頻調速0 引言近年來，隨著自關斷器件的不斷發展，采用以正弦波作為參考電壓的 SPWM（正弦脈寬調制）的 VVVF 變頻調速,已成為交流異步電機調速的主流。作為新一代電力電子器件，綜合了 MOSFET 和 GTR 的優點，開關頻率高、驅動功率小，的功率交換器輸出電壓紋波小，

2、線路簡單，是最具有應用前景的功率器件。早期使用模擬電路元件生成 SPWM 波形，所需硬件較多，算法不夠靈活，改變參數和調試比較麻煩。隨著電力電子技術、微電子技術和計算機技術的發展，研究重點轉移到以 MCU、DSP 為主的數字方案1。本文介紹一種由 AVR 高速單片機輸出的 SPWM 脈沖序列變頻調速的方法。1 SPWM 波形生成策略1.1 常用算法比較1.2 等效面積法把一個正弦半波分為 N 等分，每一等分微機的 SPWM 算法有多種，常用的的正弦曲線與橫軸所包圍的面積一個有自然取樣法和規則取樣法。自然取樣法（圖 1a）采用計算的方法尋找三角載波 U與參考正弦波 UR 的交點作為開關值以確定S

3、PWM 的脈沖寬度，這種方法誤差小、精度高，與此面積相同的等高矩形脈沖代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合，這樣，由 N 個等幅而不等寬的矩形脈沖所的波形就與正弦半波等效，顯然這一系列脈沖波形的寬的和開關時刻可以嚴格地用數學方法計算得到34。如圖 2 所示，在區間t,t+t，正弦波面積為 S1 ,則有：但是計算量以做到實時，用查表法將占用大量內存，調速范圍有限，一般不采用。規則取樣法（圖 1b）采用近似求 U和 UR 交點的方法，通過兩個三角波峰之間中線與UR 的交點作水平線與兩個三角波分別t + DtsinwtdtS1 = M ´US òt交于 A 和 B 點，

4、由交點確定 SPWM 的脈寬， 這種方法計算量相對自然取樣法小的多，但存在一定誤差2。本文采用等效面積法。(1)M=´US coswt - cosw (t + Dt)w式中 M 為調制深度， US 為直流電源電壓。US2S 2 = d ´對應圖中脈沖面積(2)將正弦信號的正半周 N 等分，則每份為/N 弧度，由圖知脈沖高度為US / 2 ,設脈沖寬度為 dK ，則第 K 份正弦波面積與對應的第 K 個 SPWM 脈沖面積相等，：dK = 2M cos( K -1)p - cos( K )p wNN(3)= M cos( K -1)p - cos( K )p pfNN如圖 2

5、 所示算：開啟時刻：的開關時間按如下計達 256K 的 EEPROM，可用于保存運動參數， 便于現場參數修改，這使得它用在運動方面有很大的靈活性。同時 AVR 單片機還支Ton = 1 (Dt - d ) =(K11持對器的在系統編程。(4)- dK )2 2 ´ f ´ N2這些特點使得 AT90 系列單片機成為一種滿足許多需要的、具有高度靈活性和低成關斷時刻：器5。本111本的應用的高效微(5)Toff =(Dt + dK ) =(+ dK )2 2 ´ f ´ N2文采用 AT90LS8535，8K 可重復編程FLASH,512 字節的 SRAM,

6、三路 PWM 通道，8路 10 位 A/D。2.2規律在高頻段（f50Hz）和低頻段（f10Hz）采用恒功率中頻段采用恒轉矩，可加大調速范圍，。為使輸出波形對稱性好、諧波分量小，系統采用分段同步調制， 以保證整個變頻范圍內的開關頻率變化不 是很大。每個頻段載波比 N 為恒定值，不同頻段的 N 不同，為了計算快速，余弦采用查表方式，余弦三角函數表在 0°360°范圍內，每隔 0.1 度存一個余弦值，每個余弦值2 AVR 單片機系統由 16 位二進制，其中最為符號位，2.1 AVR 單片機結構特點：AT90 系列單片機為 ATMEL 公司生產的新一代基于 AVR 增強功能、RI

7、SC 結構的、低功耗 CMOS 技術的微處理器。后 15 位表示數值位。整個余弦函數表預先存在 EPROM 中，占用了近 8K 字節的寄存器。為保證三相互差 120°，N 應設為 3 的整數倍。2.3 硬件結構：1) 哈佛雙總線結構，使程序器和數據器。使用 RISC 指令集，指令系統框圖如圖 3 所示的驅動模塊周期絕大部分為單周期指令。有相當高的執行速度，8MHz 頻率下工作的 AVR 相當于224MHz 頻率下工作的普通 MCS51。2) AVR 核為 32 個通用工作寄存器與豐富指令集的組合，32 個寄存器全部直接地與運算邏輯單元連接，這種組合機構具備的代碼效率比完成同樣處理能力

8、的常規 CICS 微處理器要快 10 倍以上，從而解決了 MCS51 的累加器 A 的瓶頸問題3) 內置晶振的可編程看門狗定時器、片內模擬比較器、SPI 串口和 UART 串口，有采用富士電機公司的 EXB841 驅動器，AT90LS8535 輸出的三相脈寬調制 SPWM 波經分相與開通延時電路分為六路輸出，分別控制 EXB841 的光耦，以驅動 6 個件；40 腳的 PA0 作為 A/D 采樣輸功率器，采樣電位器給定頻率；16 腳的 INT0 外部中斷作為電路故障信號（ 由于 AT90LS8535態是“高”，因此、過壓等）的輸入腳； 復位時端口的初始狀信號和驅動信號均設為“低”電平為無效狀態

9、；PWM 的載波周期由片內定時器 T0 完成；定義 T/C1寄存幾種有 810 位的 AD 轉換器。有帶器 TCCR1A 和 T/C2寄存器 TCCR2，使比較和捕獲模式的定時計數器，且具有PWM 功能，PWM 可以在雙 8 值、9 位或 10 位下自運行、抗誤、節拍修正操作。同時還有一路輸入捕獲口，可以捕獲引腳 ICP 上的上升和下降沿。4) AVR 單片機內置可重復編程的 FLASHT/C1、T/C2 工作在8 位PWM 模式。PD4（OC1B）、PD5(OC1A)、PD7（OC2）作為三相 PWM 輸出口；擴展 8279 鍵盤顯示接口，可自動完成鍵盤的掃描輸入和 LED 的掃描顯示輸出，

10、節省了 CPU 對鍵盤/顯示器的操作時間。內部有硬件看門狗，防止程序跑飛。程序器和 EEPROM 數據器，最大可電流檢測整流濾波M過壓檢測逆變器檢測光電編碼器驅動陣列保護電路延時電路脈沖整形INT0 PD6PD4 PD5 PD7計數器AVR單片機PA0PC0| PC7鍵盤顯示芯片8279功能鍵圖3 SPWM變頻調速系統結構框圖3 系統軟件設計采用模塊化設計思想，包括主程序、T/C0 中斷服務子程序、外部中斷服務子程序、鍵盤顯示子程序等。主程序的主要任務是對逆變器的輸出頻率進行采樣，計算調制深度 M、載波比 N、載波周期定時常數 T,確定正弦時標。計算脈主程序流程圖如圖 4 所示。T/C0 中斷

11、服務程序:定時時間到達載波周期 T 后，CPU 執行 T/C0 中斷服務程序，讀開關點數據，計算各相占空比，在相應PWM寄存器中，PWM 使能，向端口驅動信號。程序流程圖如圖 5 所示。外部中斷服務程序：當上發生過沖寬度 dK流時，EX841 立即向單片機申請中斷，CPU，根據(4)、（5）式計算出三相發出指令器件。所有輸出，有效地保護各功率開關點T,T,T,T,T,T，onUonVonWoffUoffVoffW4 實驗及結論按照上述的設計思想，開發了單片機控制系統的軟硬件，程序由 ICCAVR 編寫，在SL-AVR 實驗開發機上調試通過，輸出波形經地址總線顯示EPROM 2764數據總線頻率

12、給定示波器觀察，SPWM 波形線性度較好，當給定頻率改變時，三相線電壓基本保持對稱。采用等效面積法生成的 SPWM 波形精度高，更接近正弦波，且諧波分量小，同時也對 CPU 的運算速度提出更高要求。本文利用高速與AVR 單片機產生 SPWM 脈沖序列，相比，具有速度快、精度高、算法靈活等特點，同時由于 AVR 單片機價格低廉，編程開發方便，在低成本的變頻調速系統中有良好的發展前景。參考文獻12. 現代交流調速技術M. 機械工業. PWM 變頻調速技術M. 機械工業. 1999.1999.3 Li Hong. New algorithm for generating SPWM waveformJ

13、. Journal of NorthwesternPolytechnical University. 18,2,May,2000NPU,P264-267.4 鐘，. 面積等效法生成 SPWM 波形的算法及軟件研究J.電氣自動化.1999(6),14-18.5 耿等. AVR 高速單片機原理及應用M. 北京航天航空大學. 2001.SPWM Variable Frequency Speed Regulation SystemBasedon AVR Micro-controllerZhang XilinDuan JiAn(College of mechanical and electrical e

14、ngineering, Central South University, ChangSha, 410083)Abstract: This paper main discusses the application of AVR-a new type of high-speed embedded micro-controller in the field of AC variable frequency speed regulation (VFSR) system, the designed method of hardware and software were given. The SPWM signal generated by Area Equivalent Principle solve the demands of control accuracy and real-time control. It was proved by analysis and simulative experiment that the proposed method