基于单片机的无刷直流电机控制系统的研究与设计说明.doc

毕业设计（论文）题 目 基于LS单片机的无刷直流电机系统的研究与设计专 业 电气工程与其自动化 班 级学 生指导教师 2013 年49 / 59基于LS单片机无刷直流电机控制系统的研究与设计专业：电气工程与其自动化班级：电气095指导教师：职称：讲师 高工答辩日期：2013-6-21摘 要为了解决客车、城市公交车在实际使用中发动机不同温度状况下的散热问题，有效地保证发动机的正常使用温度，车载电子风扇是最佳选择。本文旨在研究一种低成本的无刷直流电机控制器。为了研发一款低成本的控制器，较好地控制无刷直流电机，本文着重研究了无刷直流电机（永磁同步电机）的控制策略与其实现方法。本文最终确定了无刷直流电机的变压变频开环控制方式，其能够实现在基频以下进行恒压频比控制，在基频以上进行恒功率控制。本次设计利用LS052Ax单片机作为控制核心，主要用来发出SPWM脉宽调制波，主电路采用常用的三相电压源型逆变电路。频率增长采用给定积分法。实验结果证明，这种控制方法控制可靠，成本低廉，能够获得良好的动静态性能。经过最 终测试，本次设计系统可达到如下指标，电机能够在6s之转速迅速升高至3000RPM，且起动成功率为100%，输出电流最大2A，输出最高频率200HZ，直流母线侧电压12V，最大功率24W。关键词：无刷直流电机，LS052Ax单片机，SPWM脉宽调制，低成本AbstractIn order to solve the problem of heat dissipation of the vehicle engine under different temperature conditions, ensuring the normal use of the vehicle engine, electric fan is the best choice. This paper aims to study a kind of low-cost brushless DC motor controller.This paper mainly studies the brushless DC motor (PMSM) control strategy and its realization method aiming a low-cost controller. This paper determines the VVVF open-loop control mode, which can achieve Constant control in the following baseband, constant power control in the above baseband. This design uses LS052Ax microcontroller as control core, which is mainly used to send the SPWM wave; the main circuit is a three-phase voltage source inverter. Frequency increases by the given integral method.Experimental results show that this control method is reliable, low-cost, and can obtain good dynamic and static performance. In the final test, the design of the system can achieve the following indicators: the motor can accelerate to 3000RPM within 6 seconds, and the motor can finish setup each time; the maximum output current is 2A; the maximum output frequency is 200HZ; the DC bus voltage is 12V; the maximum power is 24W.key words: brushless DC motor, LS052Ax MCU, SPWM, VVVF, low cost目 录第1章绪论11.1 毕业设计（论文）课题来源、类型11.2 选题的目的与意义11.3 本课题在国外的研究状况与发展趋势11.4 本毕业设计（论文）的主要容2第2章系统总体方案论证32.1 控制对象分析32.1.1 无刷直流电机结构32.1.2 无刷直流电机工作原理42.1.3 无刷直流电机参数52.2 控制系统主电路分析论证52.2.1 三相逆变电路分类52.2.2本系统采用电压型逆变电路72.3 控制系统的控制芯片选型82.3.1 LS芯片简介82.3.2 LS主要功能特性82.3.3本次设计选用该芯片的缘由92.4 系统控制策略分析论证102.4.1 无刷直流电机的控制方法102.4.2 两种控制方式的比较102.4.3 本次设计所采用的方法11第3章 PSIM仿真133.1 PSIM仿真框图133.2 仿真波形与分析133.2.1 载波比N=63133.2.2 载波比N=33153.2.3 载波比N=21173.3 仿真总结19第4章系统的硬件设计214.1 硬件系统总体设计214.2 电源模块设计214.3 单片机控制模块224.4 驱动电路设计234.5 PCB板的设计24第5章系统软件设计255.1 系统软件总体设计255.2 三相SPWM原理与算法实现255.2.1 SPWM介绍与原理分析255.2.2 SPWM实现方案对比265.2.3 调制方式选择295.3 主程序设计325.4 全比较单元模块配置335.4.1 通用定时器T1的配置335.4.2 死区单元的配置335.5 中断模块设计34第6章系统调试356.1 硬件调试356.2 软件调试356.3 系统测试结果366.3.1 电路板接上电机测试结果366.3.2 相关测试波形37第7章结论与展望457.1 设计结论457.2 设计展望45参考文献47致49附录1 整体电路图50附录2 部分源程序51第1章 绪论1.1 毕业设计（论文）课题来源、类型本课题来源于生产生活实际中需要解决的问题，为工科课题。为了解决客车、城市公交车在实际使用中发动机不同温度状况下的散热问题，有效地保证发动机的正常使用温度，车载电子风扇是最佳选择，本设计旨在研究设计一款低成本的无刷直流电机控制器。1.2 选题的目的与意义无刷直流电机控制系统是集电机技术、电力电子技术、控制理论和计算机技术等科学技术于一身的机电一体化系统，体现了当今应用科学的许多最新成果，是机电一体化的高新技术产品1。选择该课题进行研究的目的和意义在于：在解决生产生活实际中问题的同时，培养自己独立从事技术开发和科学研究的能力。1.3 本课题在国外的研究状况与发展趋势目前在工业先进的国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电机取代。现在从国外进口的设备中，已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统，一些国家如美国、英国、日本、德国的相关公司经不再大量生产伺服驱动用的有刷直流电动机2。由上面的分析可以看出，无刷直流电动机相对于其它类型电动机来说还是一种新型电动机，它的驱动、控制更是和电子技术息息相关，因此，对无刷直流电机本体与其控制方法进行系统、深入的研究有着十分重要的现实意义。1.4 本毕业设计（论文）的主要容本次毕业设计在首先认真分析了无刷直流电机的结构，了解了它的控制方法，并对不同的控制方法做了对比，结合LS单片机的性能，并充分考虑控制器低成本的要求，最终重点研究了基于LS单片机的SPWM变压变频起动的原理和实现方法。本次设计主要包括两个方面：硬件和软件。硬件方面包括控制芯片的选择，主电路的设计，驱动电路的设计，与PCB板的制作；软件方面包括SPWM波形的生成，单片机多通道的设置，VVVF控制方法的实现算法等。系统软件采用c语言编写，开发环境为KEIL。第2章 系统总体方案论证2.1 控制对象分析2.1.1 无刷直流电机结构无刷直流电机是一种自控变频的永磁同步电机，就其组成结构而言，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样电子换相线路中的功率开关器件，如晶闸管，晶体管等可直接与电枢绕组连接。电机装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置。它与电子换相线路一起，替代了有刷直流电机的机械换相装置。综上所述，无刷直流电机由电机本体，转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成，如图2-1所示3。图2-1无刷直流电机结构原理图a. 电机本体电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等）。转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2，4，）组成。本次设计采用的电机定子为三相，转子为8极。b. 位置传感器位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在无刷直流电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器。c. 电子换相当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。2.1.2 无刷直流电机工作原理一般的永磁式电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电枢的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停的运转。无刷直流电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场。所以无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以与逻辑开关共同构成的换相装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转子磁钢产生的永磁场，在空间始终保持在（/2）rad左右的电角度4。2.1.3 无刷直流电机参数本次设计所采用的无刷直流电机为三相八极电机。电机主要参数如表2-1所示：表2-1电机主要参数类别最大电压额定转速额定电流额定功率参数36V13753RPM0.77 A18.3 W类别绕组电阻绕组电感机械时间常数电磁时间常数参数7.852.21mH5.1ms0.14ms2.2 控制系统主电路分析论证2.2.1 三相逆变电路分类a. 电压源型逆变电路如图2-2所示，为电压源型逆变电路拓扑图。其基本工作方式是180o导电方式，即每个桥臂导通电角度180o，同一相（即同一半桥）上下两个桥臂交替导通，各相开始导电的电角度依次相差120o。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个桥臂，下面两个桥臂，也可能是上面两个桥臂，下面一个桥臂。因为每次换流都是在同一相上下两桥臂进行，因此也被称作纵向换流。图2-2 电压源型逆变电路拓扑图电压源型逆变电路的特点7(1) 直流侧为电压源，或并联由大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。(2) 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且去负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。(3) 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。b. 电流型逆变电路如图2-3所示为三相电流型逆变电路拓扑图，这种电路的基本工作方式是120o导电方式。即每个桥臂一周期导电120o，按VT1到VT6的顺序每个60o依次导通，这样，每个时刻上桥臂组的三个臂和下桥臂的三个臂都各有一个导通。换流时，是在上桥臂组或下桥臂组的组依次换流，为横向换流。图2-3 电流源型逆变电路拓扑图电流型逆变电路的特点(1) 直流侧串联大电感，相当于电流源。直流侧基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。(2) 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因为负载阻抗情况不同而不同。(3) 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时电流并不反向，因此不必想电压型逆变电路那样给开关器件反并联二极管。2.2.2本系统采用电压型逆变电路电压型逆变电路的逆变器输出电压波形为矩形波，输出电流波形近似正弦波。电压型逆变电路对功率开关管的耐压要求比电流型逆变电路的要低，更容易实现。对于电机类感性负载，我们期望电流波形接近正弦波，所以这次设计采用电压型逆变电路。2.3 控制系统的控制芯片选型2.3.1 LS芯片简介本次设计采用柯珞微电子科技生产的LS052Ax系列MCU（单片机），该单片机是该公司设计、生产的高性能8位系列MCU，其指令系统与MCS-51兼容，部功能、引脚功能、引脚排列以与引脚的电气特性与AT89S52基本兼容。LS052A系列MCU采用新型的发明专利技术L体系结构技术实现了多核并发处理引擎，支持同时并发地执行三道程序。2.3.2 LS主要功能特性LS052Ax片包含2K64K字节程序存储器(Flash)，1K16K字节数据存储器(SRAM)，4个16位定时/计数器，16个中断源/两级中断机制，并发三道处理引擎，36个I/O端口驱动器，2个全双工串行通信端口，1个SPI主从模式通信端口，2个I2C主从模式通信端口，1个一线通信主模式通信端口，7通道空间矢量SVPWM，4/8路10位精度ADC，1个可编程看门狗，振荡器与时钟电路。LS052Ax的工作频率为0Hz40MHz，并支持空闲1，空闲2和掉电三种软件可设置的节电工作方式。空闲方式1仅停止CPU的工作，但维持SRAM、定时器/计数器、串行通信口等外设机制继续工作；空闲方式2停止振荡器工作，切断片所有时钟，SRAM中的容维持不变。掉电模式切断片所有供电线路，仅维持唤醒值班模块工作，SRAM中的容维持不变，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 LS052Ax采用新型的发明专利技术-L体系结构技术，实现了多核多任务并行处理，可以只运行单道程序，也可同时执行关联或非关联的三道程序。执行1道程序的性能是兼容芯片的1.97倍，同时执行三道程序的处理能力最高可达到兼容芯片的5.85倍。 l 新型体系结构L结构 l 3核并发处理引擎，可并发执行3道程序 l 指令兼容MCS-51 l 每个指令周期为6个时钟周期 l 264KB 部Flash程序存储器，20000次擦写周期 l 216KB部SRAM l 宽电压：1.85.5V工作电压 l 0Hz40MHz工作频率 l 两级程序存储器加密机制 l 36个可编程I/O端口，20mA吸入电流，可直接驱动LED l 2级中断机制 l 16个中断源，24个外部中断 l 4个16位定时器/计数器 l 2个全双工UART通信端口 l 空间矢量PWM(SVPWM), 3相双向6路，1路启停控制 l 4/8路10位精度ADC，转换速率200KBPS l 1个可编程看门狗 l 支持自编程功能 l SPI编程接口 l 温度围：45 852.3.3本次设计选用该芯片的缘由本次设计的控制芯片是由xxx提供的，该公司是LS系列芯片的西北代理，该公司经理介绍，这款芯片是一款51核的8位单片机，但其性能远远超越51单片机，在某种程度上可以和DSP等控制芯片媲美，可以满足本次设计的要求，更重要的是它的价格很低，具有很大的发展潜力。2.4 系统控制策略分析论证2.4.1无刷直流电机的控制方法a. 有位置传感器控制方式有位置传感器控制方式，指在无刷直流电机定子上安装位置传感器来检测转子在运转过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为电子换相电路提供正确的换相信息，来控制电子换相电路中的功率器件的开关状态，保证电机各相绕组按顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。霍尔位置传感器是目前比较成熟的IC器件，具有体积小、简单可靠、安装灵活方便、易于实现机电一体化等优点，是目前应用最为广泛的位置传感器。b. 无位置传感器控制方式无位置传感器控制方式是指无刷直流电机不直接安装转子位置传感器，但在电机运转过程中，控制电机换相的转子位置信号还是需要检测的，因此，无刷直流电机无位置传感器控制研究的关键是架构转子位置信号检测电路，通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号。为此，国外的研究人员进行了大量的研究工作，提出了很多种位置信号检测方法，大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量进行转子位置的估算，其中较为成熟的有: 反电势过零点检测法, 反电势3次谐波积分法, 续流二极管法等2。2.4.2两种控制方式的比较a. 有位置传感器优点：(1) 因为有霍尔位置传感器，所以电机换相准确，转子位置检测的准确度不受电机转速的影响；(2) 不需要外加的转子位置检测电路，硬件电路简单；(3) 电机换相控制编程简单，不需要处理滤波延迟等问题。缺点：(1) 增大了电机的体积。安装了位置传感器后，一方面电机结构变复杂了，另一方面电机的体积相对来说变大了，妨碍了电机的小型化；(2) 增加了电机成本。容量在数百瓦以下的小容量方波型无刷直流电机常用的霍尔位置传感器的成本相对于电机本体来说所占比例比较大；(3) 传感器的输出信号易受到干扰。传感器的输出信号都是弱电信号，在高温、冷冻、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊等工作环境与振动、高速运行等工作条件下，都会降低传感器的可靠性。若传感器损坏，还可能连锁反应引起逆变器等器件的损坏；(4) 传感器的安装精度对电机的运行性能影响很大，相对增加了生产工艺的难度。b. 无位置传感器优点：(1) 降低成本，减小电机的体积；(2) 抗干扰能力强，能在高温、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊的环境中工作；(3) 无传感器安装的问题，减小电机的生产难度。缺点：(1) 如反电势法等转子位置检测方法在低速时检测准确度都不高，需要其他方法辅助电机起动；(2) 由于各种滤波、比较电路引起的相位延迟必须在算法中加以补偿，所以算法编程难度较大；(3) 由于架构了转子位置检测电路，所以增加了硬件的复杂性。2.4.3本次设计所采用的方法本次设计本着设计一款低成本的控制器的宗旨，在认真分析各种控制方式的优缺点之后，选择了无传感器方式下的基于SPWM的变压变频开环控制方法，SPWM生成的方式采用规则采样法，并且为了克服一些其他方面的不足，采用较为复杂的分段同步调制。这种方法与传统的无刷直流电机控制方法有所不同，它一般用来控制异步电机和同步电机的5，但由于小功率无刷直流电机的空间磁场接近正弦波6，可以当作永磁同步电机来控制，故本次设计采用变压变频控制方法。这种控制方法被广泛应用于调速性能要求不高的场合8。这种方法是利用逆变器产生频率逐渐增加的三相互差120度的交流电压，三相交流电加在电机定子绕组上产生三相正弦电流进而在电机部产生圆形旋转磁场，此圆形旋转磁场与电机转子永磁体所产生的磁场互相作用带动转子旋转，最终达到电机的同步运行。第3章 PSIM仿真3.1PSIM仿真框图如图3-1所示为SPWM调制波的PSIM仿真框图，其中比较器模块的输出模拟单片机发出波形，主电路同实际电路一样，三相对称阻感负载模拟电机，其参数和实际电机参数一样。图3-1PSIM仿真图3.2仿真波形与分析3.2.1载波比N=63如图3-2（a）所示为载波比N=63时电机的三相电流波形，可以看出电流波形比较光滑接近正弦波。如图3-2（b）为三相电流波形的FFT分析，可以看出，电流波形仅含载波频率整数倍次附近频率的谐波，谐波次数高且幅值低，对电机影响较小。图3-2（a）电机三相电流波形图3-2（b）电机三相电流波形FFT分析如图3-3所示为电机三相电压仿真波形，可以看到，输出波形和理论分析一致为“品”字波形且三相电压互差120度。图3-3电机三相电压仿真波形如图3-4所示为单片机发出SPWM波形仿真，可以看出，波形比较密集，开关频率高。图3-4单片机发出波形仿真3.2.2 载波比N=33如图3-5（a）所示为载波比N=33时电机的三相电流波形，可以看出电流波形接近正弦波，相比N=63该波形没有那么平滑。如图3-5（b）为三相电流波形的FFT分析，可以看出，电流波形仅含载波频率整数倍次附近频率谐波，谐波次数较高，幅值较低，对电机影响较小。图3-5（a）N=33时电机三相电流波形图3-5（b）N=33时电机三相电流波形FFT分析如图3-6所示为电机三相电压仿真波形，可以看出，输出波形相比变得稀疏，波形仍为“品”字波形，相位保持不变。图3-6电机三相电压仿真波形如图3-7所示为单片机发出SPWM波形仿真，可以看到波形相对稀疏，开关频率降低，这有效中和了调制波频率增加带来的开关频率加大。图3-7单片机发出波形仿真3.2.3 载波比N=21如图3-8（a）所示为载波比N=21时电机的三相电流波形，电流波形接近正弦波但相比来说波形变得更为粗糙，这是因为载波比减小的缘故。如图3-8（b）为三相电流波形的FFT分析，可以看出，电流波形含载波频率整数倍次附近频率谐波，谐波幅值相比有所增加但仍然可以接受。3-8（a）N=21时三相电流波形3-8（b）N=21时三相电流波形FFT分析如图3-9（a）所示为电机三相电压仿真波形，可以看出，输出波形形状良好，相比变得更为稀疏。图3-9三相电压仿真波形如图3-10所示为单片机发出SPWM波形仿真，可以看到波形相对稀疏，开关频率更低，可以看到减小载波比减小了开关频率，降低了单片机的压力，但同时是以牺牲精度为代价的。图3-10单片机管脚发出波形仿真3.3仿真总结此次仿真采用PSIM软件，该软件绘制原理图方便，容易上手，仿真主要对控制系统的原理进行了仿真。此次设计采用的基本原理是SPWM调制波形，在仿真中，采用比较器来生成SPWM波形，其正向输入为调制波即正弦波，反向输入为载波即三角波，当调制波大于载波时输出为高，当调制波小于载波时输出为低。实际上仿真中采用的方法是严格的自然采样法，这种方法生成SPWM是最接近理想值得，然而在实际中用单片机发出SPWM波形是采用规则采样法。两种方法都能很好生成SPWM波形，只是规则采样法精度比自然采样法稍逊，但是对于单片机来说，规则采样法的计算速度远远高于自然采样法的计算速度，这是因为自然采样法在求解的过程中需要解出超越方程的根。另外，本次设计采用分段同步调制，仿真中对不同的载波比都进行了仿真，从结果可以看出，仿真结果和理论分析几乎相差无几，这对后面的硬件调试起到了很好的指导作用。第4章 系统的硬件设计4.1 硬件系统总体设计硬件系统包括单片机控制模块，PCB电源模块，驱动电路模块以与三相逆变电路模块。总体框图如图4-1所示：图4-1系统总体框图4.2电源模块设计直流电源采用常用的12v电源模块，经过两个降压芯片7815和7805降压分别得到5v直流给单片机供电，和10v直流给驱动电路供电，同时12v直流电作为逆变电路的直流侧电压源。电源模块部分电路图如4-2所示：图4-2 电源模块电路图4.3 单片机控制模块单片机控制模块主要应用了LS0T52AX的全比较单元模块，生成6路PWM波形（P20-P25）作为驱动电路的输入。单片机控制模块部分电路图如4-3所示：图4-3 单片机控制模块4.4 驱动电路设计IR2101是双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器，该器件采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。同时上管采用外部自举电容上电，使驱动电源数目较其他IC驱动大大减少，在工程上减少了控制变压器体积和电源数目，降低了产品成本提高了系统可靠性。IR2101主要特性包括：悬浮通道电源采用自举电路；功率器件栅极驱动电压围1020 V；逻辑电源围520V，且逻辑电源地和功率地之间允许+5V的偏移量；独立的低端和高端输入通道。美国IR公司生产的IR2101驱动器，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。本次设计在驱动电路前级加上三极管电流放大电路，这样做的目的是确保有足够大的驱动电流，因为LS芯片本身管脚驱动电流小。驱动电路模块电路图如4-4所示：图4-4 驱动电路模块电路图4.5 PCB板的设计本次设计中，在确定了各模块所采取的实现方法之后，我用AltiumDesigner软件绘制了各模块的原理图，之后在电气的经理和同事帮助之下，完成了PCB图的布线和排版作，以与之后的PCB板的制作都是在该公司的直接帮助下完成的。第5章 系统软件设计5.1 系统软件总体设计本设计的软件部分设计分模块进化设计，这样以模块化的思想节省开发时间，减小了软件调试的工作量。第一部分是SPWM波形的生成程序，这是整个程序的主体。LS052AX单片机的全比较单元模块（通用定时器1提供基准）可以产生6路互补PWM波形，可以用来产生SPWM波形。只要能在定时器1的中断中实时修改PWM波的占空比和周期，就可以实时计算产生SPWM波。第二部分是是针对中断当中能实时修改占空比和周期所研究的一些策略，硬件方面提高晶振频率以缩短机器周期，软件方面采用分段同步调制的方法解决了实时性的问题。这部分是程序当中的难点。5.2 三相SPWM原理与算法实现5.2.1 SPWM介绍与原理分析正弦脉冲宽度调制(SPWM)的理论基础是面积等效原理，该理论是采样控制理论中的一个重要结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本一样。SPWM控制方式是用SPWM的脉冲驱动逆变电路中的功率开关器件，使逆变器输出的PWM脉冲电压与期望输出的正弦信号在每一个周期面积相等7。SPWM调制技术的思想是：采用等腰三角波作为载波信号，用正弦波作为调制信号。在载波信号和调制信号的交点处改变开关状态，得到脉宽按照正弦波幅值变化的一组等幅不等宽的矩形脉冲序列，用这个脉冲序列来改变功率开关器件的通断。根据采样定理，输出的SPWM波形经过滤波后能得到平滑的正弦波。5.2.2 SPWM实现方案对比a. 硬件调制法硬件调制法按使用的元器件的不同，有两种不同的实现方法。其一，可以用分立元件搭建。在该方法中，用运放等器件产生三角波，再用其他分立器件产生正弦波，将两种波形同时输入比较器来产生SPWM信号。这种纯硬件的方法使用器件多、线路复杂、控制精度受影响程度大且输出频率和占空比不好控制。其二，可以使用集成芯片，如HEF4752芯片。该芯片不需要控制器配合就可以产生SPWM。使用集成芯片方式的灵活性较低，不宜实现数字化。因而，本系统为实现更智能化，不采用集成芯片的方式，期望从控制器直接输出SPWM。b. 软件生成法SPWM控制方式的逆变器中，控制器可以用边查表边作简单计算的方式生产SPWM。由于控制器的发展很快，其运算速度不断提高，使得生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就被主泛应用到实际中。本设计采用软件生成法，其实就是用软件来实现调制产生SPWM的方法。LS052AX的速度比普通51快，再通过策略以边查表边计算的方式实现SPWM波的生成。软件生成法有两种基本算法：即自然采样法和规则采样(1) 自然采样法自然采样法是以载波三角波和调制波正弦波的自然交点控制MOS管的开通关断。当调制波幅值大于载波三角波的幅值时，MOS管开通；当调制波幅值小于载波三角波的幅值，MOS管关断。这种在自然交点处控制MOS管关断的方法，需要实时求解一个超越方程。而且由于交点具有任意性，控制器计算负荷重。当然，自然采样法输出的正弦波也实际正弦波更接近。(2) 规则采样法规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。规则采样法说明图如图5-1所示。图5-1 规则采样法说明取三角波两个正峰值之间为一个采样周期，使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点（即负峰点）为对称。在三角波的负峰时刻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点时刻和B点时刻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和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。设正弦调制信号波为(5-1)式中，a称为调制度，0a<1；wr为正弦信号波角频率，从图5-1中得如下关系式(5-2)因此可得(5-3)则占空比(5-4)比较值为(5-5)式（5-4）是规则采样法单相SPWM波占空比的算法公式，依此可容易得到其他两相的占空比公式，思路是在A相角频率的基础上让角频率滞后120度、240度。考虑到LS052A微控制器的实时性，数据处理有几个技巧，其一，将正弦值先用Excel计算出来，再算出来某一相的比较值存储在ROM中，计算的时候，只要查表并作简单计算即可，部分正弦表与比较值如表5-1所示，其中载波比分别取63、33、21。其二，虽然LS052AX能够处理浮点数据，但由于微机处理浮点时的耗时较长，实时性不够，所以将算出来的数据缩小十倍，在实时计算的公式中扩大十倍，只让单片机去计算整形数据，节约微机的处理时间，提高实时性。表5-1 部分正弦表与比较值5.2.3 调制方式选择a. 单极性和双极性SPWM调制方式可分为单极性调制方式和双极性调制方式两种。如图5-2所示，载波信号三角波和调制信号正弦波在单极性调制方式中极性一样，在半周期同时为正，在下半周期同时为负。从开关器件来看，在半周期，同一相桥臂的上下两个MOS管，其中一个一直导通，另一个导通或关断。图5-2 单极性SPWM调制示意图如图5-3所示，载波三角波和调制信号正弦波在双极性调制方式中极性不同，在一个周期极具有正负极性变化的信号。这种调制方式下，同一相桥臂的上下两个MOS管轮流开通关断。图5-3 双极性SPWM调制示意图综合以上考虑，本次设计采用双极性调制。原因有以下几点：其一，单极性调制方式虽然程序实现简单，但其输出正弦波不与双极性调制平滑，即双极性调制输出正弦波与理论输出正弦波失真度较小。其二，虽然双极性调制需要加入死区来防止同一桥臂的上下MOS管的误导通，但结合LS052AX控制器的全比较单元互补输出PWM功能，能方便的实现双极性调制方式。b. 同步调制和异步调制根据载波信号三角波和调制信号正弦波Ur的频率关系，又可将SPWM调制方式分为同步调制和异步调制两种方式。载波信号三角波的频率随着调制信号正弦波的频率Fr按照固定的载波比N=Fc/Fr变化，这种调制方式称为同步调制。在载波比为6时，图5-4显示调制信号频率变化时半周期的载波信号个数没有发生变化。在低频段时，同步调制方式由于载波比不变，其载波频率会下降，会产生高次谐波。而高次谐波会在电机上产生转矩脉动和噪声。图5-4 同步调制波形同样的，如果载波信号三角波的频率随调制信号正弦波的频率Fr的变化而变化，则称这种方法为异步调制。如图5-5所示，在调制信号频率变化时，载波信号的频率没有变化，但在半个调制周期的个数变化了。异步调制方式在调制频率较低时，半周期脉冲个数会发生变化，因而有利于改善低频时的输出电压波形，且减少了电机上的转矩脉动。然后，由于正负半周会出现不对称的情况，因而输出波形会出现偶次谐波。在高频段时，由于载波频率不变，载波比会减小，半周期的脉冲个数会减小，从而不利于电机的运行。图5-5 非同步调制中波形比较图还有一种分段同步调制的方法，即在不同的频率段采用固定的载波比。这种方式是同步调制的一种灵活应用，优点是既保留了同步调制在高频段的优点，又保留了异步调制在低频段的优点。综合以上考虑，本次设计采用分段同步调制。考虑到本系统输出频率较高，选用分段同步调制较好。分段同步调制在程序实现上比同步调制稍微复杂。决定采用分段同步调制后，还有一个重要问题就是确定载波比N的确定。载波比既不能太高，也不能太低。当载波比太高时，在调制频率一定时，载波频率自然就越高。硬件方面载波频率由MOS管的开关特性限制，它不可能做的很高；软件方面中断中修改占空比与周期的速度就越快，受单片机计算速度的限制，频率也不能太高。当载波比太低时，在调制频率较低时，半周期的脉冲数较少，会引起转矩脉动等问题。另外，为了使输出一相波形正负半周严格对称，载波比还应满足3的整数倍且为奇数。综合以上考虑，分段同步调制载波比分别取取63、33、21，保证输出波形高度对称，并且尽量提高载波比。这样，在输出频率较低时，由同步调制引起的低频谐波的影响降到最小。5.3 主程序设计LS052AX微控制器为系统的控制芯片，其软件部分的主流程图如图5-6所示。从主流程图中可以看出，软件部分的主要任务是按恒压频比控制方式生成SPWM波。另外，程序中充分利用了LS052AX单片机的三通道并发功能，在三通道程序的并行处理下，大大减少了系统计算过程所耗费的时间，提高了系统实时性。主程序以循环结构运行，并等特中断。(a) 第0道主程序 (b) 第1、2道程序图5-6 主程序流程图5.4 全比较单元模块配置5.4.1 通用定时器T1的配置定时器T1为全比较单元提供计时基准，所以定时器必须准确配置。a. 定时器的计数方式本次设计定时器的计数方式是增减技术方式，在这种方式下，通过全比较单元可以很容易实现对称PWM波形的生成，并且，在这种计数方式下，一样周期下寄存器赋值可减小一半。值得注意的是，在采用全比较单元PWM波形的时候，定时器本身的比较功能应当关闭掉。另外，定时器