摘要：重點(diǎn)討論了一種新型單片機—AVR高速嵌入式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(shí)利用等效面積法生成SPWM脈沖序列，較好的解決了控制精度和實(shí)時(shí)控制的要求，理論分析和仿真實(shí)驗證明該方法可行。
關(guān)鍵字：AVR單片機; SPWM波; 等效面積法; 變頻調速 引言
近年來(lái)，隨著(zhù)自關(guān)斷器件的不斷發(fā)展，采用以正弦波作為參考電壓的SPWM（正弦脈寬調制）控制的VVVF變頻調速,已成為交流異步電機調速的主流。IGBT作為新一代全控型電力電子器件，綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)頻率高、驅動(dòng)功率小，構成的功率交換器輸出電壓紋波小，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，是當今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(zhù)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，研究重點(diǎn)轉移到以MCU、DSP為主的數字方案。
本文介紹一種由AVR高速嵌入式單片機輸出的SPWM脈沖序列控制變頻調速的方法。 1 SPWM波形生成策略
1.1 常用算法比較 微機控制的SPWM算法有多種，常用的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UΔ與參考正弦波UR的交點(diǎn)作為開(kāi)關(guān)值以確定SPWM的脈沖寬度，這種方法誤差小、精度高，但是計算量大，難以做到實(shí)時(shí)控制，用查表法將占用大量?jì)却?，調速范圍有限，一般不采用。規則取樣法（圖1b）采用近似求UΔ和UR交點(diǎn)的方法，通過(guò)兩個(gè)三角波峰之間中線(xiàn)與UR的交點(diǎn)作水平線(xiàn)與兩個(gè)三角波分別交于A(yíng)和B點(diǎn)，由交點(diǎn)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。本文采用等效面積法。
1.2 等效面積法 把一個(gè)正弦半波分為N等分，每一等分的正弦曲線(xiàn)與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相同的等高矩形脈沖代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合，這樣，由N個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所構成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(kāi)關(guān)時(shí)刻可以嚴格地用數學(xué)方法計算得到。
如圖2所示，在區間[t,t+Δt]，正弦波面積為S1,則有：
式中M為調制深度，US為直流電源電壓。
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π/N弧度，由圖知脈沖高度為US/2,設脈沖寬度為δK，則第K份正弦波面積與對應的第K個(gè)SPWM脈沖面積相等，解得：
如圖2所示，IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間按如下計算：
IGBT開(kāi)啟時(shí)刻： (4)
IGBT關(guān)斷時(shí)刻： (5) 2 AVR單片機控制系統
2.1 AVR單片機結構特點(diǎn)：
AT90系列單片機為ATMEL公司生產(chǎn)的新一代基于A(yíng)VR增強功能、RISC結構的、低功耗CMOS技術(shù)的微處理器。
1) 哈佛雙總線(xiàn)結構，使程序存儲器和數據存儲器分開(kāi)。使用RISC指令集，指令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(gè)通用工作寄存器與豐富指令集的組合，32個(gè)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(wèn)題。
3) 內置晶振的可編程看門(mén)狗定時(shí)器、片內模擬比較器、SPI串口和UART串口，有幾種產(chǎn)品有8—10位的A／D轉換器。有帶比較和捕獲模式的定時(shí)／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(shí)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FLASH程序存儲器和EEPROM數據存儲器，最大可達256K的EEPROM，可用于保存運動(dòng)參數，便于現場(chǎng)參數修改，這使得它用在運動(dòng)控制方面有很大的靈活性。同時(shí)AVR單片機還支持對存儲器的在系統編程。
這些特點(diǎn)使得AT90系列單片機成為一種滿(mǎn)足許多需要的、具有高度靈活性和低成本的嵌入式控制應用的高效微控制器。本文采用AT90LS8535芯片，8K可重復編程FLASH,512字節的SRAM,三路PWM通道，8路10位A/D。
2.2 控制規律
在高頻段（f≥50Hz）和低頻段（f≤10Hz）采用恒功率控制，可加大調速范圍，中頻段采用恒轉矩控制。為使輸出波形對稱(chēng)性好、諧波分量小，系統采用分段同步調制，以保證整個(gè)變頻范圍內的開(kāi)關(guān)頻率變化不是很大。每個(gè)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(gè)余弦值，每個(gè)余弦值由16位二進(jìn)制構成，其中最高位為符號位，后15位表示數值位。整個(gè)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：
系統框圖SPWM變頻調速系統結構圖略可向作者索取，IGBT的驅動(dòng)模塊采用富士電機公司的EXB841驅動(dòng)器，AT90LS8535輸出的三相脈寬調制SPWM波經(jīng)分相與開(kāi)通延時(shí)電路分為六路輸出，分別控制EXB841的光耦，以驅動(dòng)6個(gè)IGBT功率器件；40腳的PA0作為A/D采樣輸入口，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（過(guò)流、過(guò)壓等）的輸入腳；
由于A(yíng)T90LS8535芯片復位時(shí)端口的初始狀態(tài)是“高”，因此封鎖信號和驅動(dòng)信號均設為“低”電平為無(wú)效狀態(tài)；PWM的載波周期由片內定時(shí)器T0完成；定義T/C1控制寄存器TCCR1A和T/C2控制寄存器TCCR2，使T/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(pán)顯示接口芯片，可自動(dòng)完成鍵盤(pán)的掃描輸入和LED的掃描顯示輸出，節省了CPU對鍵盤(pán)/顯示器的操作時(shí)間。內部有硬件看門(mén)狗，防止程序跑飛。 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(wù)子程序、外部中斷服務(wù)子程序、鍵盤(pán)顯示子程序等。
主程序的主要任務(wù)是對逆變器的輸出頻率進(jìn)行采樣，計算調制深度M、載波比N、載波周期定時(shí)常數T,確定正弦時(shí)標。計算脈沖寬度，根據(4)、（5）式計算出三相開(kāi)關(guān)點(diǎn)TonU,TonV,TonW,ToffU,ToffV,ToffW，主程序流程圖略可向作者索取。
T/C0中斷服務(wù)程序:定時(shí)時(shí)間到達載波周期T后，CPU執行T/C0中斷服務(wù)程序，讀開(kāi)關(guān)點(diǎn)數據，計算各相占空比，存儲在相應PWM控制寄存器中，PWM使能，向端口發(fā)送驅動(dòng)信號。程序流程圖3所示。
外部中斷服務(wù)程序：當IGBT上發(fā)生過(guò)流時(shí)，EX841立即向單片機申請中斷，CPU發(fā)出指令封鎖所有輸出，有效地保護各功率器件。
5實(shí)驗及結論
按照上述的設計思想，開(kāi)發(fā)了單片機控制系統的軟硬件，程序由ICCAVR編寫(xiě)，在SL-AVR實(shí)驗開(kāi)發(fā)機上調試通過(guò)，輸出波形經(jīng)示波器觀(guān)察，SPWM波形線(xiàn)性度較好，當給定頻率改變時(shí)，三相線(xiàn)電壓基本保持對稱(chēng)。
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(shí)也對CPU的運算速度提出更高要求。本文利用高速嵌入式AVR單片機產(chǎn)生SPWM脈沖序列，與專(zhuān)用控制芯片相比，具有速度快、精度高、算法靈活等特點(diǎn)，同時(shí)由于A(yíng)VR單片機價(jià)格低廉，編程開(kāi)發(fā)方便，在低成本的變頻調速系統中有良好的發(fā)展前景。 | 
