一种基于C8051单片机的SPWM波形实现方案

1 引言

　　正弦脉宽调制（SPWM）技术已在交流调速、直流输电、变频电源等领域得到广泛应用，为了提高整个系统的控制效果，高性能SPWM脉冲形成技术一直是人们不断探索的问题。采用模拟电路和数字电路等硬件电路来产生SPWM波形是一种切实可行的方法，但是这种实现方法控制电路复杂、抗干扰能力差、实时调节较困难。近年来，人们提出了由单片机、DSP等微控制器来实现SPWM波形的数字控制方法[1][2]，由于微控制器内部集成了很多控制电路，比如定时器、PWM电路、可编程计数器阵列等，所以使得这种实现SPWM的方法具有控制电路简单、运行速度快、控制精度高、抗干扰能力强等优点。本文介绍了一种利用C8051单片机实现输出频率可变SPWM波形的方法，并将由C8051F040产生的单极性SPWM波应用于单相频率可调逆变电源，实验结果证实了利用C8051实现SPWM波形的可行性和有效性。

2 SPWM技术原理

　　SPWM技术的基本原理是利用一个三角波载波和一个正弦波进行比较，得到一个宽度按正弦规律变化的脉冲序列，用它们来驱动逆变器开关管的开关转换。由微控制器来实现SPWM波形的方法有表格法、随时计算法和实时计算法，但前两种无实时处理能力[2]。采用实时计算法要有数学模型，其中一种较为常用的是采样型SPWM法，它分为自然采样法、对称规则采样法和不对称规则采样法。本文采用对称规则采样法，即利用经过采样的正弦波（实际上是阶梯波）与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。图1是典型的单极性对称规则采样法，它只在三角波的峰值时刻采样正弦调制波并将采样值保持，分别取保持值和三角波交点作为脉冲宽度时间。图中Ts为三角波的周期，同时也是采样周期；Ur为三角波的高，正弦波为Ucsinωt。根据三角形相似关系，得到

　　所以

　　其中，M=Uc/Ur为调制比，t为采样点（这里为顶点采样）的时刻。则脉冲宽度为

　　采样点时刻t只与载波比N有关。对于图1情况有t=kTS+θ，其中k=0，1，2，…，N-1，θ=180/N度。

图1 对称规则采样法

　　在对称规则采样情况下，只要知道采样点时刻t就可以确定这个采样周期内的脉冲宽度tpw和时间间隔toff，从而可以计算出SPWM波形高、低脉冲的宽度。

3 C8051实现SPWM波形的原理及算法

3.1 C8051F系列单片机PCA简介

　　C8051F系列单片机都具有一个可编程计数器阵列PCA，以C8051F040为例，PCA包含1个专用的16位计数器/定时器和6个16位捕捉/比较模块，可以输出6路PWM波形。如图2所示，16位PCA专用计数器/定时器的时基信号可有多种选择，可通过配置相关的系统控制器的特殊功能寄存器（SFR）来实现。每个捕捉/比较模块有自己的I/O线CEXn，可通过配制交叉开关寄存器（XBR0）将每个模块的I/O线连接到端口I/O；每个模块都可配制为独立工作，有四种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输

图2 PCA原理框图[page]

出或脉宽调制器。本文中，产生频率可变的SPWM波形是使用了捕捉/比较模块的高速输出工作方式，其原理如下：

　　当PCA的16位计数器/定时器PCA0H（高8位）和PCA0L（低8位）与16位捕捉/比较模块寄存器PCA0CPHn（高8位）和PCA0CPLn（低8位）发生匹配时，模块的CEXn引脚上的逻辑电平将发生跳变，并产生一个中断请求，即将控制寄存器PCA0CN中相应的CCFn位置位，当CCF中断被允许时，CPU将转向CCF中断服务程序。如果将相应模块的I/O线CEXn连接到端口I/O，单片机相应端口输出电平即发生变化，这就可实现PWM脉冲的高、低电平输出。置位PCA0CPMn寄存器中的TOGn、MATn、ECOMn和ECCFn位，将允许高速输出方式，同时允许CCF中断[3]。

3.2 SPWM波形生成方法

　　利用C8051的PCA计数器产生SPWM波形的基本原理是：在高速输出并且允许CCF中断方式下，不断在CCF中断服务程序中将事先计算好的SPWM波形的脉冲宽度累加到捕捉/比较模块寄存器PCA0CPn（高8位PCA0CPHn和低8位PCA0CPLn）中，这样在捕捉/比较模块寄存器和计数器/定时器相匹配时就得到相应的SPWM波形不断交替的高低电平。

　　图3中，l0、h0, l1、h1…lmax、hmax是由软件实时计算好的一路单极性SPWM波形的高、低脉冲宽度，其中l0= l0＇+T/2。由于输出的是频率可变的SPWM波形，既调制波频率可变，所以在不同的频率段设置有不同的载波比N，从而max的值只是相对固定的。

图3 SPWM波形示意图

　　如果选用捕捉/比较模块0输出此路SPWM，则首先将l0＇装入16位捕捉/比较寄存器PCA0CP0中，并且将16位计数器/定时器PCA0H和PCA0L清零，然后启动PCA计数器；当捕捉/比较寄存器的数值与计数器/定时器的数值相等时，CEX0引脚就会由原来的低电平跳变为高电平，并且产生一个CCF中断；在CCF中断程序中，将h0累加到PCA0CP0上；中断过程中，计数器的数值是连续增加的，当其值与改变过后的捕捉/比较寄存器的数值相等时，又会使得CEX0引脚由原来的高电平跳变为低电平，并且产生一个CCF中断；然后在中断过程中又将l1累加到PCA0CP0上。这样，周而复始，CEX0引脚上不断产生交替的高低电平，从而在其所对应的端口I/O上得到准确的SPWM波形。

3.3 PCA寄存器设置

　　为了实现以上SPWM波形产生方法，需要设置与PCA工作有关的特殊功能寄存器。具体如下：
　　1)设置方式选择寄存器PCA0MD。
　　2)初始化捕捉/比较寄存器PCA0CPHn（高字节）和PCA0CPLn（低字节）。
　　3)设置捕捉/比较模式寄存器PCA0CPMn。
　　4)初始化计数器/定时器PCA0H（高字节）和PCA0L（低字节）。
　　5)设置控制寄存器PCA0CN。

3.4 程序流程

　　主程序流程如图4所示，在系统初始化过后首先通过键盘设置输出频率，然后进入SPWM脉宽计算程序，根据所设置频率选择调制比N，计算脉宽并确定max。在SPWM输出程序中，对PCA特殊功能寄存器进行设置并启动计数器运行，开始输出SPWM波形。

　　在中断服务程序中，首先根据CCFn的值来判断发生匹配的捕捉/比较模块，然后根据该模块CEX引脚上的电平状态判断是将SPWM波形的高电平脉宽值还是低电平脉宽值累加到捕捉/比较模块寄存器上；同时，根据脉宽数据指针与max是否相等来确定一个SPWM周期的结束和下一个周期的开始，以便正确载入对应数据。当载波比N发生变化时，max的值会发生变化。

图4 程序流程图[page]

　　应该注意的一点是，CCFn位和CF位（计数器/定时器溢出标志）由硬件置位，但不能由硬件自动清0，必须在中断程序中用软件清0。

4 最小脉冲问题分析

　　由于硬件原因，任何微控制器都不能输出宽度无限小的脉冲，这就使得理想SPWM脉冲序列中小于一定宽度的窄脉冲不能正常输出，即最小脉冲问题。

　　对于C8051单片机，它的PCA所能输出的最小脉冲取决于其中断服务程序执行的时间，所以其最小脉冲问题不容忽视。解决该问题的具体方法有：①采用汇编语言编写中断服务子程序并且应用最精简省时的指令，减小最小脉冲的宽度；②在计算SPWM波脉冲宽度时，对宽度小于PCA所能输出最小宽度的脉冲进行修正，使它们的宽度为最小脉冲的宽度；③限制调制比M，使SPWM脉冲序列中不会含有过多的小脉冲。

5 实验结果

　　实验主电路为单相全桥逆变电路，主开关管采用IGBT，输出100V，50-400Hz频率可调的交流电压。由单片机输出两路互补（有一定死区时间）单极性SPWM波来控制该逆变电源。

　　实验中，对输出SPWM波的最小脉冲问题进行了处理，采用汇编语言对中断服务子程序进行编程，使得SPWM波形中最小脉冲的宽度达到了3us，这个宽度（时间）基本达到实验中所用IGBT的最小开关周期。图4示出了两路单极性SPWM波的实验波形，图5图6分别示出了频率为200Hz和300Hz时的输出电压实验波形：

　　由实验波形可以看出，由C8051产生SPWM波的控制效果较好，可以准确、实时地调节输出电压的频率。

6 结论

　　利用C8051单片机产生SPWM波形是一种简单易行的方法，具有运算精度高、实时调节性强的特点。同时，通过改变SPWM波脉宽计算的方法，可以方便地实现双极性SPWM波形。因而，这种方法适合于对输出SPWM波形的极性、路数和频率有不同要求的场合。

参考文献

[1]李自成等 . 基于87C196MC形成SPWM波的研究[J] .高电压技术，2004（12）：10-12
[2]卢慧芬 . 基于DSP的SPWM控制波形生成的一种方法[J] . 机电工程，2002（5）：30-34
[3]李刚,林凌. 与8051兼容的高性能、高速单片机——C8051Fxxx. 北京:北京航空航天大学出版社,2002