基于智能控制系统实现PWM控制

[关键词]智能控制系统;PIC单片机;实现PWM控制

当今单片机的应用已经从单纯依赖于51系列单片机向其他多种单片机发展,尤其以嵌入式PIC单片机的发展应用更为广泛。PIC单片机含具有PWM功能的功能模块(CCP),利用此模块更容易通过软件实现PWM,且具有更快的执行速度。本文采用软硬件结合设计的方法,利用面积等效法,并且基于PIC单片机实现对试验逆变系统的PWM控制。

一、面积等效的PWM控制算法

目前生成PWM波的控制算法主要有4种:对称规则采样法;自然采样法;面积等效法;不对称规则采样法。

理论分析后知自然采样法和面积等效法相对于规则采样法谐波较小,对谐波的抑制能力较强。又因为PIC单片机片内无较大空间实现在线运算,所以自然采样法不利于软件实现。本文的试验系统采用面积等效法实现PWM控制,其原理如图1所示。

利用正弦波小块面积S1与脉冲面积S2相等原则,将正弦波的正半周分为N等分,则每一等分的宽度为π/N弧度,利用面积等效法计算出半个周期内N个不同的脉宽值,将产生的脉宽数列以列表形式存于PIC单片机的ROM中,以供程序调用。

二、软硬件结合试验系统

以PIC单片机内部的两个功能模块(CCP)为基础,利用该模块具有的PWM功能,软件控制两路PWM波形的输出。再将这两路PWM波利用互补导通原则变换成4路,经隔离放大后驱动IGBT逆变器,实现对输出的控制。

(一)硬件设计

试验硬件系统如图2所示。选择PIC单片机的中档系列,该系列单片机的主要特点有:

1.8K×14个FLASH程序存储器,368×8个数据存储器(RAM)字节;

2.功能模块丰富,含2个16位寄存器的CCP模块,具有PWM功能;

3.具有高性能的RISCCPU;

4.中断能力强,达到14个中断源;

5.除程序分支指令为两个周期外,其余均为单周期指令,且仅有35条单字指令;

6.含3个定时器,其中与PWM功能相关的定时器2(即TMR2)带有8位周期寄存器,且带有8位预分频器和后分频器。

逆变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,它的控制级为绝缘栅场效应晶体管,输出级为双级功率晶体管,因而它具有两者的优点而克服了两者的缺点。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。

(二)软件设计

1.PIC单片机的设置。试验中设置PWM的频率为20kHz,并外接20MHz晶振信号,计算得指令周期即计时步阶为0.2μs。PIC单片机CCP功能模块的PWM功能实现主要依靠相关寄存器值的设定,且以定时器2(TMR2)作为PWM的时基。相关寄存器的设置如下。

(1)PWM周期的设定由寄存器PR2设定

(PWM)周期=(PR2+1)×4×Tosc×(TMR2)预分频(4)

试验中Tosc为20MHz,为提高分辨率,TMR2预分频设为1:1,由此计算得PR2=0XF9;

(2)定时器TMR2的控制寄存器T2CON设定

因为PWM频率高,周期短,在每个周期内完成脉宽的调整比较困难,故在此寄存器中设置后分频为1:3,这样每输出3个相同脉宽的PWM波后改变一次脉宽值;

(3)2个CCP模块的控制寄存器CCP1CON及CCP2CON的设定

两个CCP模块控制寄存器的设置类似,选择CCP模块作用于PWM功能模式,即bit3:0=11。

(4)CCPR1L脉宽写入寄存器

写入的脉宽值在下个TMR2周期开始时转至CCPR1H,通过读CCPR1H的脉宽值来改变PWM脉宽。

(5)寄存器TRISC

对应于CCP1和CCP2的输入输出设置,应设置为输出形式,即TRISC的bit2:1=00。

2.PWM波形产生的实现过程。软件控制PIC单片机使之产生PWM波形,首先将之前设置的寄存器值写入相关寄存器,当PIC的PWM功能开启后TMR2从0开始计数,同时CCP模块引脚输出高电平。

――当TMR2≥CCPR1L时,PWM功能引脚开始输出低电平。

――当TMR2≥PR2时,则TMR2=0,重新开始另一个周期计数,PWM功能引脚开始输出高电平。同时TMR2的中断标志位被系统置高,即TMR2IF=1,转去执行中断服务程序。

因实验中设置TMR2后分频为1:3,故在3个PR2周期后程序才转去执行中断服务程序。在中断服务程序中查找脉宽表,将下一个脉宽值写入寄存器CCPR1L中。下个周期输出的PWM的脉宽即为刚写入CCPR1L中的脉宽值,也就是说脉宽的变化在中断程序中实现。

程序中利用标志位F实现PWM输出在CCP1和CCP2中的转换。在F=1时,CCP1输出PWM波形,CCP2设置输出为0电平;在F=0时,CCP2输出PWM波形,CCP1设置输出为0电平。(编辑/永安)