基于ATmega128A的三相正弦波發(fā)生器的研究與設(shè)計(jì)

唐宇峰，閆志平

（中紡機(jī)電研究所 北京 100025）

由于全球范圍內(nèi)自然能源的日益緊張[1]，逆變技術(shù)作為一種高效的節(jié)能技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域。隨著逆變技術(shù)在各領(lǐng)域地位越發(fā)重要，對(duì)逆變控制的研究也成為一項(xiàng)重要的研究課題。目前，逆變電源多采用正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM技術(shù)。作為基準(zhǔn)信號(hào)的一種，正弦波信號(hào)的波形質(zhì)量直接影響到測(cè)量和控制的精度。對(duì)于一個(gè)良好的正弦信號(hào)源，一般要求輸出的基準(zhǔn)正弦波信號(hào)幅值、頻率高度穩(wěn)定、失真度小、幅值可調(diào)，對(duì)于三相正弦波信號(hào)還要求相位間隔穩(wěn)定。生成SPWM信號(hào)可以使用振蕩器、比較器等通用集成電路來實(shí)現(xiàn)，如HEF4752、SLE4520等，但所用元件較多，線路復(fù)雜，不易調(diào)節(jié)和控制。還可以使用專用集成電路產(chǎn)生SPWM，這種方法控制線路簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是無法全面實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的反饋控制。此外，還能夠基于微處理器，利用軟件編程產(chǎn)生SPWM波，此方法控制電路簡(jiǎn)單可靠，減少了硬件電路，降低了外界干擾和成本[1]。文中采用ATmega128A單片機(jī)作為產(chǎn)生SPWM的微處理器，利用等效面積法生成SPWM脈沖，同時(shí)利用捕獲輸入實(shí)現(xiàn)了三相正弦波與電網(wǎng)的過零點(diǎn)匹配以及相位匹配，最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可用于回饋控制系統(tǒng)的三相正弦波發(fā)生器。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 ATmega128A簡(jiǎn)介

本次設(shè)計(jì)采用Atmel公司的AVR系列ATmega128A單片機(jī)。ATmega128A單片機(jī)吸收了PLC及51單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，片內(nèi)資源豐富，具有128 kB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH，4 KB的E2PROM，4 kB的內(nèi)部SRAM，兩個(gè)8位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和兩個(gè)具有捕獲功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，多達(dá)53個(gè)可編程I/O口，以及ISP下載及JTAG仿真口。這款單片機(jī)提供了充足的程序空間，使控制器組態(tài)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，且價(jià)格相對(duì)低廉[2]。

考慮到需要向微處理器輸入三路方波信號(hào)，而且其中一路還需要用到定時(shí)器計(jì)數(shù)器的輸入捕獲功能，此外還考慮到該微處理器需要同時(shí)產(chǎn)生三路高頻的SPWM波，同時(shí)考慮到該微處理器的成本，因此最終選用了ATmega128A這一款A(yù)VR 單片機(jī)[3]。

1.2 設(shè)計(jì)原理

本次三相正弦波發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)采用ATmega128A單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。通過使用ATmega128A單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3的輸入捕獲端口PE7來捕獲一路輸入的50 Hz方波，最終得到的正弦波過零點(diǎn)要與方波的翻轉(zhuǎn)沿對(duì)應(yīng)。通過定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的累加器和比較器來調(diào)節(jié)占空比，可以在單片機(jī)的PB5、PB6、PB7口輸出SPWM波，輸出的SPWM波經(jīng)過二階濾波電路濾波后得到所需的三相正弦波。此外，還通過單片機(jī)的輸入口輸入兩路50 Hz方波，以上三路輸入的50 Hz方波的相位差也是120°，最終要求得到的正弦波與輸入的方波同相位。

控制電路利用編程來控制ATmega128A單片機(jī)在其PB5、PB6、PB7口輸出SPWM波，經(jīng)過二階濾波電路濾波后得到三相正弦波。

2 SPWM調(diào)制原理

2.1 等效面積法

采樣控制理論指出：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量即指窄脈沖面積[4]。SPWM面積等效法的基本原理是在各采樣周期內(nèi)，均用一個(gè)與正弦曲線和時(shí)間軸所圍面積相等的等高矩形脈沖來等效替代。等面積法的諧波較規(guī)則采樣法小[5]。在各采樣周期內(nèi)，等效矩形脈沖均有一個(gè)在水平方向上移動(dòng)的自由度。為提高矩形脈沖序列與正弦曲線等效的程度，必須對(duì)各采樣周期內(nèi)的矩形脈沖在水平方向上的位置進(jìn)行尋優(yōu)。

如圖1所示，以正弦波半波為例，將正弦波N等份，每一份的正弦曲線與坐標(biāo)系橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖所代替，產(chǎn)生脈沖的周期等于正弦波周期N，則各脈沖的寬度將是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，N個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形便與正弦波等效。

圖1 等效面積法原理圖Fig.1 Schematic diagram of the equivalent area

設(shè)正弦波的頻率為fc，可求得SPWM波的頻率：

根據(jù)上述原理可知，本次設(shè)計(jì)的核心是生成周期固定，脈寬按正弦規(guī)律變化的等幅脈沖。下面對(duì)脈寬的計(jì)算方法進(jìn)行分析。

2.2 SPWM脈寬計(jì)算方法

2.2.1 自然采樣法

在早期的SPWM實(shí)現(xiàn)方法中，最典型的是由一個(gè)模擬比較器對(duì)一個(gè)三角載波和一個(gè)正弦調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)正弦調(diào)制信號(hào)對(duì)三角載波的調(diào)制。這種將三角載波和正弦調(diào)制波進(jìn)行實(shí)時(shí)比較以實(shí)現(xiàn)調(diào)制目的的方法叫做自然采樣法[6]。自然采樣法如圖2所示，對(duì)稱規(guī)則采樣法如圖3所示，A、B為正弦波和三角波的交點(diǎn)，t2為所求脈寬時(shí)間。設(shè)三角波峰值為UCM，正弦波幅值為URM，由 ΔDEC～ΔAFC可知：

上式是一個(gè)超越方程，需要用迭代的方法求解超越方程以確定控制量，給實(shí)時(shí)控制帶來很大困難。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，采用該方法的電路具有參數(shù)漂移大、集成度低和設(shè)計(jì)不靈活等難以克服的缺點(diǎn)。

圖2 生成SPWM波的自然采樣法Fig.2 SPWM wave generated by natural sampling

圖3 生成SPWM波的對(duì)稱規(guī)則采樣法Fig.3 SPWM wave generated by symmetric regular sampling

2.2.2 對(duì)稱規(guī)則采樣法

規(guī)則采樣就是在三角載波的特征點(diǎn)對(duì)正弦調(diào)制波進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣值確定脈沖的前沿和后沿時(shí)刻。采樣點(diǎn)和開關(guān)點(diǎn)不重合，開關(guān)點(diǎn)是變換的，采樣點(diǎn)是固定的，開關(guān)時(shí)刻可以利用簡(jiǎn)單的三角函數(shù)在線計(jì)算出來，滿足數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的需要。

規(guī)則采樣法既力求采樣效果盡量接近自然采樣法，又不必花費(fèi)過多的計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間。采用三角波作為載波的目的就是設(shè)法使SPWM波形的每一個(gè)脈沖都與三角載波的中心線對(duì)稱。載波周期中點(diǎn)與正弦波（調(diào)制波）的交點(diǎn)所作的水平線與三角波（載波）的交點(diǎn)確定脈沖寬度[7]。如圖3所示，同樣利用三角形相似定理可得：

3 軟件實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的正弦波發(fā)生器最終需要得到三路相位差為120°的正弦波，首先向該發(fā)生器輸入三路50 Hz相位差為120°的方波，其中任意一路被ATmega128A的輸入捕獲端口捕獲，通過編程實(shí)現(xiàn)正弦波過零點(diǎn)與方波的翻轉(zhuǎn)沿同步；另外兩路輸入至I/O口，當(dāng)這兩路方波相序交換時(shí)，對(duì)應(yīng)的SPWM波相序也交換，以適應(yīng)回饋控制系統(tǒng)中的功能模塊的應(yīng)用要求。

對(duì)于ATmega128A單片機(jī)，其16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器有2個(gè)，在本次設(shè)計(jì)中，通過配置TCNT1、ICR1、OCR1A/B/C、TCCR1A/B/C等寄存器，用來控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)序列、計(jì)數(shù)的初始值和TOP值、產(chǎn)生SPWM波的工作模式、匹配模式和翻轉(zhuǎn)模式。通過對(duì)比，最終確定采用快速PWM模式中的模式14，時(shí)鐘分頻設(shè)置為1分頻，ICR1定義TOP值，OCR1A/B/C分別定義匹配值。

在編程時(shí)，需用到輸入捕獲中斷和溢出中斷兩個(gè)中斷子程序。具體設(shè)計(jì)及流程圖如下。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

如圖4所示，主程序主要包括：端口初始化函數(shù)、定時(shí)器初始化函數(shù)、溢出中斷函數(shù)和捕獲中斷函數(shù)。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of the main program

根據(jù)之前的設(shè)計(jì)思路，可知正弦波發(fā)生器需要用到兩個(gè)16位定時(shí)器。TOP值是固定值，可以選擇ICR1寄存器用來定義TOP值，OCR1A/B/C用于輸出SPWM波，ICR3用來輸入捕獲中斷。需要配置的寄存器有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器寄存器TCNT1、控制寄存器TCCR1A/B和TCCR3B、中斷屏蔽寄存器TIMSK，擴(kuò)展中斷標(biāo)志屏蔽寄存器ETIMSK。定時(shí)器TCNT1初始值設(shè)為0；寄存器TCCR1A的COM1A/B/C控制匹配翻轉(zhuǎn)模式，將其設(shè)置為 2。TCCR1B的 WGM13、WGM12和 TCCR1A的WGM11、WGM10控制定時(shí)器工作模式，設(shè)置為2，對(duì)應(yīng)快速PWM模式14。

3.2 溢出中斷子程序設(shè)計(jì)

溢出中斷子程序的流程圖如圖5所示，其功能是按要求改變輸出比較寄存器的值。在主程序設(shè)置計(jì)數(shù)器1溢出中斷使能，全局中斷使能。在中斷程序，通過查表法，每一次進(jìn)中斷后修改一次輸出比較寄存器OCR1A/B/C的值。要求輸出波形相位差為120°，另3個(gè)輸出比較寄存器的值相位差為120°即可。

圖5 溢出中斷子程序流程圖Fig.5 Flow chart of the overflow interrupt subroutine

3.3 捕獲中斷子程序設(shè)計(jì)

捕獲中斷子程序的功能是實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)匹配，實(shí)現(xiàn)相位變換檢測(cè)，并做標(biāo)記。在定時(shí)器初始化中設(shè)置計(jì)數(shù)器3為上升沿有效，在主程序設(shè)置捕獲中斷使能，全局中斷使能；50 Hz方波通過引腳ICP3輸入，每捕獲到一個(gè)上升沿，輸入捕獲標(biāo)志位ICF3置位，輸入捕獲被激發(fā)，中斷執(zhí)行時(shí)ICF3自動(dòng)清零。在中斷子程序中強(qiáng)制令表指針指向第一個(gè)數(shù)，這樣可以保證每一個(gè)周期的SPWM波的第一個(gè)脈寬對(duì)應(yīng)正弦波零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈寬，即實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)匹配。

將另外兩路方波接到PA1和PA0管腳，在進(jìn)入捕獲中斷子程序后，讀取A管腳的電平值，可知相序是否有變化。在溢出中斷中根據(jù)A端口的電平值來決定是否交換OCR1B和OCR1C的查表指針。捕獲中斷子程序的流程圖如圖6所示。

圖6 捕獲中斷子程序流程圖Fig.6 Flow chart of the capture interrupt subroutine

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按上述思路，用C語言在ICCAVR環(huán)境下編寫并編譯程序，用AVR Studio將編譯好的程序下載到單片機(jī)。波形如圖7所示，可看到正弦波過零點(diǎn)與捕獲的方波跳變沿實(shí)現(xiàn)了匹配。

圖7 捕獲輸入的一路方波與對(duì)應(yīng)的正弦波波形Fig.7 Capture input square wave and the corresponding sine wave

相位控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)通過改變兩路方波的相序來改變正弦波的相序。未改變輸入方波的相序時(shí)的波形圖如圖8所示；改變輸入方波的相序后的波形圖如圖9所示。可以看出，當(dāng)輸入方波的相序改變時(shí)，對(duì)應(yīng)的兩路正弦波的相序也會(huì)改變，實(shí)現(xiàn)了相位匹配。

圖8 原正弦波波形Fig.8 The original sine waves

5 結(jié)論

由以上結(jié)果可以看出，采用等效面積法生成的SPWM波形精度高，濾波后的波形更接近正弦，諧波小。本文利用Atmega128產(chǎn)生SPWM脈沖序列，與專用芯片相比，具有速度快、精度高、算法靈活、成本低廉等特點(diǎn)，在回饋控制系統(tǒng)中有良好的實(shí)用性和發(fā)展前景[8]。

圖9 改變輸入方波的相序后的正弦波波形Fig.9 The sine waves with the phase sequence of input square wave changing

[1]陳毅光，秦會(huì)斌，屈力揚(yáng).基于ATmega8單片機(jī)的SPWM調(diào)制信號(hào)的實(shí)現(xiàn)[J].電子器件，2010，33（5）:599-602.CHEN Yi-guang，QIN Hui-bin，QU Li-yang.The implementation of modulation on signals in a SPWM mode based on ATmega8[J].Chinese Journal of Electron Devices，2010，33（5）:599-602.

[2]Vinod K V，Jonathan H，Robert M，et al.Constructing controllers for physical multilegged robots using the ENSO neuroevolution approach[J].Evolutionary Intelligence，2012（5）:45-56.

[3]劉偉，羅嶸，楊華中.一種新的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的連續(xù)參數(shù)功耗模型[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2010，32（8）:1968-1973.LIUWei，LUORong，YANGHua-zhong.A novel power model with continuous parameters for wireless sensor nodes[J].Journal of Electronics&Information Technology，2010， 32（2）:470-475.

[4]Vahidnia A，Ledwich G，Palmer E，et al.Identification and estimation of equivalent area parameters using synchronised phasor measurements[J].IET Generation，Transmission&Distribution，2014，8（4）:697-704.

[5]陳增祿，毛惠豐，周炳根，等.SPWM數(shù)字化自然采樣法的理論及應(yīng)用研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（1）:32-37.CHEN Zeng-lu，MAO Hui-feng，ZHOU Bing-gen，et al.A study on theory and application of digital natural sampling based SPWM[J].Proceedingof The CSEE，2005，25（1）:32-37.

[6]Christiansen C F，Herrada J L，and Martinez N H.Further improvements in a three phase sine wave generator[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，1988，35（2）:338-339.[7]GUO Wei-nong，DUAN Shan-xu，KONG Xue-juan，et al．A modified deadbeat control for single-phase voltage-source PWM inverters based on asym-metric regular sample[C]//PESC’2001 IEEE 32nd Annual，2001（2）:962-967.

[8]Becedas J，Payo I，and Feliu V.Two-flexible-fingers gripper force feedback control system for its application as end effector on a 6-DOF manipulator[J].IEEE Transactions on Robotics，2011，27（3）:599-615.