基于8098单片机的SPWM变频调速系统研究

摘要：数字控制的交流调速系统所选用的微处理器、功率器件及产生PWM波的方法是影响交流调速系统性能好坏的直接因素。在介绍了正弦脉宽调制(SPWM)技术的基础上，设计了一种以8098单片机作为控制器，以智能功率模块IPM为开关器件的变频调速系统。通过软件编程，产生正弦脉冲宽度调制波形来控制绝缘栅双极晶体管的导通和关断，从而达到控制异步电动机转速的目的。实验结果表明，该系统可调频率调电压，稳定度高，调速范围宽，具有较强的实用价值。
关键词：变频调速系统；8098单片机；正弦脉宽调制；IPM

目前，高性能的交流调速系统的研究和开发引起各国学者的高度重视，并得到越来越深入的研究。而所选用微处理器、功率器件及产生PWM波的方法是影响交流调整系统性能好坏的直接因素。笔者研究了一种以8098单片机为控制器、以智能功率模块IPM为开关器件的变频调速系统，此控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响：其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。

1 正弦波脉宽调制(SPWM)技术
1．1 SPWM控制技术原理
由于PWM变换器具有功率因数高、可同时实现变频变压及抵制谐波的特点，因此在交流传动及其他能量变换系统中得到广泛应用。最常用的PWM技术为正弦波脉宽调制技术，即SPWM控制技术。
SPWM控制技术原理如图1所示。以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的三角波作为载波，并用频率和期望相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。

采用SPWM控制技术的显著优点是：由于电动机的绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系列的脉冲构成的，但通入电动机的电流却十分逼近正弦波。
1．2 SPWM波的实现方法
SPWM波可通过模拟电路、数字电路或专用集成芯片等硬件电路实现，也可用微型计算机通过软件生成。如何计算SPWM的开关点，是SPWM信号生成的一个难点，也是当前人们研究的一个热门课题。生成SPWM波的方法有多种，但其目标只有一个，尽量减少逆变器的输出谐波分量和计算机的工作量，使计算机能更好地完成实时控制任务。在模拟电子电路中，SPWM波的实现方法采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现；改成数字控制后，开始时只是把同样的方法数字化，称作“自然采样法”。自然采样法的运算比较复杂，在工程上更实用的是简化后的“规则采样法”。文中采用8098单片机通过“等面积法”实现SPWM波的生成。