用GMS97C2051实现的三相SPWM波形发生器

    摘要：GMS97C2051是LG公司生产的与MCS51系列兼容的20脚小型化CPU芯片，具有价格便宜、功能完善的特点。文中介绍了利用该芯片实现逆变器控制所必需的SPWM发生器的原理和方法，并对CPU的计算过程、软件设计流程进行了详细说明。

    关键词：单片机  不对称规则采样SPWM  PWM调制  GMS97C2051

1 引言

在中小功率的三相逆变器中，脉宽调制（PWM）控制技术已获得了广泛应用。PWM的实现方法也多种多样，有模拟电路方法、数字电路方法和软件计算方法等，为了提高PWM的输出质量和可靠性，一些模拟电路或数字电路的PWM都通过专用集成电路芯片来实现，如HEF4752、SA8282等，然而这些芯片价格较高。我们利用廉价的GMS97C2051单片机通过不对称规则采样SPWM算法来输出高精度的三相SPWM波形，从而实现了逆变器的SPWM控制。实验证明，这种方法简单可行。

2 不对称规则采样SPWM算法

不对称规则采样SPWM算法是在三角形载波的顶点和底点对调制波进行采样以形成阶梯，并用此阶阶梯波与三角波的交点来确定PWM。由于在一个三角形载波周期中需采样两次，因此采样周期是载波周期的一亲。设调制比为M，采样周期为Ts，则在三角形顶点采样计算的脉冲数据ton、toff以及在三角形底点采样计算的脉冲数据t'on、t'off分别为：

ton=Ts(1+Msinωt1)/2

toff=Ts(1-Msinωt2)/2

t'on=Ts(1+Msinωt2)/2

t'off=Ts(1-Msinωt2)/2

脉冲宽度为：

tpu=Ts[1+M(sinωt1+sinωt2)]/2

式中t1、t2分别为顶点采样和底点采样所对应的时刻。

不规则采样SPWM算法在载波比（即三角波与调制波频率之比）等于3的整数倍时，输出SPWM不存在偶次谐波分量，其它高次谐波的幅值也较小。

3 算法在GMS97C2051中的实现

考虑到三相逆奕器输出电压的对称性，可以取载波比N为3的整数倍，这样每个采样周期Ts所对应的电角度为π/N，而三相互差的120°电角度应为2Nπ/3，因此在上述的三角形的顶点和底点的采样计算的脉冲数据所对应的不规则采样规律可表示为：

ton=Ts[1+Msin(kπ/N)]/2

toff=Ts[1-Msin(kπ/N)]/2或

ton=Ts[1+Msin(k-2n/3)π/N]/2

toff=Ts[1-Msin(k-2N/3)π/N]/2或

ton=Ts[1+Msin(k+2N/3)π/N]/2

toff=Ts[1-Msin(k+2N/3)π/N]/2

式中k为采样次数。

以上三组公式分别为逆变器U、V、W相的脉冲计算规律。设逆奕器的输出频率为f,则有：

2NfTs=1

一般来说，逆变器的输出电压需随频率的变化而改变，即要求调制比M随逆奕器输出频率发生变化，其变化的规律由负载的需要来决定。如逆变器用于驱动电机运行则在电额定频率以下，通常希望得到恒定的U/f比控制，那么，则应有：

M=A+Bf

其中A、B是与电机参数有关的常数。

综合上述分析，在逆变器输出频率已知的情况下，根据逆变器开关器件的开关频率限制可选择恰当的载波比N，并可根据T=1/(2nf)得出周期Ts，再根据负载情况算出应采用的调制比M，那么根据U、V、W相的脉冲计算方式即可计算出逆变器U、V、W相的SPWM波形，因此整个计算过程可在单片机中完成。通常事先将正弦函数值计算好作为表格保存，以供计算过程中实时计算查询。

4 微机控制系统

图1所示为整个GMS97C2051微机控制系统的软件流程图，下面先对于GMS97C5051作一简单介绍。

GMS97C2051芯片也是小型封装MCU系列中一员，有20个引脚、15个I/O线、2个6位定时器、串行通讯接口和2k存储器/128RAM等，适合于许多要求集成度高、成本低的场合。逆变电路开关器件的SPWM驱动信号由GMS97C2051CPU的P1.7～P1.2提供，经光耦反相后送开关器件，这样可避免CPU复位时开关器件发生直通短路故障。逆奕器的输出频率指令由主控芯片发出，通过串行通讯接口传送到GMS97C2051，再通过串行中断子程序完成逆变器输出频率指令的接收，最后选定相应的载波比N，并计算出采样周期Ts和调制比M，以完成SPWM的控制计算准备工作。

SPWM的条样周期由GMS97C2051的定时器T0来实现当T0定时器溢出时，进入到定时器T0中断服务子程序，完成逆变器U、V、W相的PWM开关数据的计算，若将该数据分别转化为三相定时器初值，则可通过定时中断方法输出各相的PWM信号。然而，由于GMS97C2051的内部只有两个定时器，无法满足三相开关数据独立定时的要求，因此必须对相定时数据作合并处理。具体方法是：在T0中断服务程序中，将前面计算出的三个开关数据在时间坐标上投影（实际上是按时间的大小排序），得出每个时间段的时间间隔及其对应的三相开关标志，在将其转换成T1定时器初值后作为实时计算数据保存内存单元中，并将第一个定时初值送T1，同时启动T1开始定时。

T1定时器用于完成计算出的PWM数据的定时，并输出相应的SPWM波形。当T1定时器溢出时，进入定时器T1中断服务子程序，完成U、V、W三相SPWM信号的输出，并取下一个T1定时器初值和三相开关标志，重新进行下一个时间间隔的一时，直到一个采要的各个时间间隔数据依次执行完为止。

若需要实现SPWM发生器的故障保护功能时，可以利用GMS97C2051的外部中断0来实现，当有故障需要封锁SPWM，可在该CPU的引脚6上输入一个负跳变的中断请求信号，CPU在中断服务程序中将P1.7～P1.2全部置为高电平开关闭T0、T1中断即可。待故障消除后，重新开放T0、T1中断，这样CPU又可继续输出SPWM输出。

5 结论

采用GMS97C2051小型单片机来实现不规则采样SPWM算法可为逆奕器提供质量高、性能稳定、无漂移的全数字化三相SPWM调制波，而且比SPWM发生器具有设计简单，价格低廉、可靠笥高等优点。如果将该实现方案移植到PHILIPS公司的小型化低价格系列MCU芯片P87LPC762上，由于该芯片具有片内复位、片内振荡、片内看门狗定时器等功能，因此仅由一片P87LPC762接通电源和地线即可输出SPWM波，这样，就真正实现了单片SPWM发生器的效果，其结构将更简单、价格也会更便宜。