單片機(jī)產(chǎn)生PWM--電力電子應(yīng)用

1、單片機(jī)產(chǎn)生PWM1.PWM定義脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)

2、載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。2.PWM控制的基本原理理論基礎(chǔ)：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。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。圖1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 面積等效原理： 分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖2a所示。其輸出電流i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異

3、也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。圖2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形3. PWM相關(guān)概念占空比：就是輸出的PWM中，高電平保持的時(shí)間 與 該P(yáng)WM的時(shí)鐘周期的時(shí)間之比如，一PWM的頻率是1000Hz，那么它的時(shí)鐘周期就是1ms，如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是200us，那么低電平的時(shí)間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說(shuō)PWM的占空比就是1：5。分辨率：占空比最小能達(dá)到的值，如8位的PWM，理論的分辨率就是1：255(單斜率)， 16位的的PWM理論就是1：65535(

4、單斜率)。頻率：如16位的PWM，它的分辨率達(dá)到了1：65535，要達(dá)到這個(gè)分辨率，T/C就必須從0計(jì)數(shù)到65535才能達(dá)到。相對(duì)于周期就是65535*計(jì)數(shù)脈沖時(shí)間。雙斜率 / 單斜率：假設(shè)一個(gè)PWM從0計(jì)數(shù)到80，之后又從0計(jì)數(shù)到80. 這個(gè)就是單斜率。假設(shè)一個(gè)PWM從0計(jì)數(shù)到80，之后是從80計(jì)數(shù)到0. 這個(gè)就是雙斜率?？梢?jiàn)，雙斜率的計(jì)數(shù)時(shí)間多了一倍，所以輸出的PWM頻率就慢了一半，但是分辨率卻是1：(80+80) 1：160，就是提高了一倍。假設(shè)PWM是單斜率，設(shè)定最高計(jì)數(shù)是80，我們?cè)僭O(shè)定一個(gè)比較值是10，那么T/C從0計(jì)數(shù)到10時(shí)(這時(shí)計(jì)數(shù)器還是一直往上計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)到設(shè)定值80)，

5、單片機(jī)就會(huì)根據(jù)你的設(shè)定，控制某個(gè)IO口在這個(gè)時(shí)候是輸出1還是輸出0還是端口取反，這樣，就是PWM的最基本的原理了。4.單片機(jī)產(chǎn)生PWM4.1：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制開(kāi)關(guān)電源方式單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源,單從對(duì)電源輸出的控制來(lái)說(shuō),可以有幾種控制方式.其一是單片機(jī)輸出一個(gè)電壓(經(jīng)DA芯片或PWM方式),用作電源的基準(zhǔn)電壓.這種方式僅僅是用單片機(jī)代替了原來(lái)的基準(zhǔn)電壓,可以用按鍵輸入電源的輸出電壓值,單片機(jī)并沒(méi)有加入電源的反饋環(huán),電源電路并沒(méi)有什么改動(dòng).這種方式最簡(jiǎn)單.其二是單片機(jī)擴(kuò)展AD,不斷檢測(cè)電源的輸出電壓,根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差,調(diào)整DA的輸出,控制PWM芯片,間接控制電源的工作.這種方式單片機(jī)已加入到電

6、源的反饋環(huán)中,代替原來(lái)的比較放大環(huán)節(jié),單片機(jī)的程序要采用比較復(fù)雜的PID算法.其三是單片機(jī)擴(kuò)展AD,不斷檢測(cè)電源的輸出電壓,根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差,輸出PWM波,直接控制電源的工作.這種方式單片機(jī)介入電源工作最多.第三種方式是最徹底的單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源,但對(duì)單片機(jī)的要求也最高.要求單片機(jī)運(yùn)算速度快,而且能夠輸出足夠高頻率的PWM波.這樣的單片機(jī)顯然價(jià)格也高.4.2：使用單片機(jī)產(chǎn)生PWMMCS51單片機(jī)假設(shè)51單片機(jī)晶振頻率為12MHz。51單片機(jī)內(nèi)部含有兩個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可設(shè)置計(jì)數(shù)器位數(shù)16位，13位，8位計(jì)數(shù)器位數(shù)16，振蕩周期12分頻后脈沖計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)一次為1us，每個(gè)

7、PWM周期為65536us，頻率為1*1000000/65536=15Hz。頻率太低，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源嚴(yán)格的電慣性。計(jì)數(shù)器位數(shù)13，振蕩周期12分頻后脈沖計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)一次為1us，每個(gè)PWM周期為8192us，頻率為1*1000000/8192=122Hz。音頻范圍之內(nèi)，不可忍受。計(jì)數(shù)器位數(shù)8，振蕩周期12分頻后脈沖計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)一次為1us，每個(gè)PWM周期為256us，頻率為1*1000000/256=3906Hz。音頻范圍之內(nèi)，且頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)階段開(kāi)關(guān)電源的頻率范圍。AVR單片機(jī)AVR單片機(jī)采用精簡(jiǎn)指令集,時(shí)鐘頻率最高為16MHz。如果PWM分辨率為10位,那么PWM波的頻率也就是開(kāi)關(guān)電源的工作

8、頻率為16000000/1024=15625(Hz)。在音頻范圍之內(nèi)，且開(kāi)關(guān)電源工作在這個(gè)頻率下顯然不夠。取PWM分辨率為9位,這次開(kāi)關(guān)電源的工作頻率為16000000/512=32768(Hz),在音頻范圍外,可以用,但距離現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的工作頻率還有一定距離.不過(guò)必須注意,9位分辨率是說(shuō)功率管導(dǎo)通-關(guān)斷這個(gè)周期中,可以分成512份,單就導(dǎo)通而言,假定占空比為0.5,則只能分成256份.考慮到脈沖寬度與電源的輸出并非線性關(guān)系,需要至少再打個(gè)對(duì)折,也就是說(shuō),電源輸出最多只能控制到1/128,無(wú)論負(fù)載變化還是網(wǎng)電源電壓變化,控制的程度只能到此為止.還要注意,上面所述只有一個(gè)PWM波,是單端工作.如果要推挽工作(包括半橋),那就需要兩個(gè)PWM波,上述控制精度還要減半,只能控制到約1/64.對(duì)要求不高的電源例如電池充電,可以滿足使用要求,但對(duì)要