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1弁言
随着家用电器产品变频技能的发展，单相电机的变频调速已成为一种可行的方法，在这种调 速系统中，脉宽调制(PWM)技能仍旧是提高调速性能的紧张手段。虽然PWM技能的实现方法很多，然而，为了降落产品的制造本钱，采取微机掌握软件实 现PWM掌握具有本钱低、调制办法灵巧等特点，比较适宜于家用电器产品的哀求。本文针对 洗衣机电机的调速哀求，提出了采取直接PWM(DPWM)软件打算的方法，并在AVR系列单片机AT 90C8535上实现，该方法可以很随意马虎地实现电机的恒V/f比调速，其PWM算法大略，易于实现，是一种较为实用的方法。
2 直接PWM技能的算法
常用PWM技能的基本事理是利用高频载波与掌握波进行比较，从而产生经由调制的PWM波。为 知足逆变电源的须要，减小输出电压的谐波含量，载波旗子暗记采取对称的三角波实现PWM 输出波形的对称双边调制，使输出电压不含偶次谐波。
用软件产生PWM波形的算法有很多方法，如：采样SPWM法、均值PWM法、直接PWM法等，个中SPWM法有三种不同形式：对称规则采样SPWM、非对称规则采样SPWM、均匀对称规则采样SPWM，以均匀对称规则采样SPWM的算法大略，运用较为广泛。SPWM的紧张缺陷便是电源电压利 用率不足高，即输出电压不高。均值PWM法的基本思想是根据等面积PWM掌握办法的事理，选 择最佳脉冲中央线位置，使得其PWM波形的谐波身分量小，均值PWM法具有微机实现大略方便 的优点，且对各次谐波的抑制均有很好的效果。直接PWM法与均值PWM法类似，也是使相同时 间间隔内的PWM波 的面积与调制波的面积相等，其紧张的优点是，在调制比固定时，掌握规 律正比于调制深度而反比于输出频率，特殊利用于电机的掌握，因此本文选择直接PWM法。
直接PWM法的调制事理如图1所示，假定一个周期内PWM波的脉冲数(即载波比)为2N，将参考 正弦波Umsin ωt的全体周期T分为2N等份，则每个区间的长度(即载波周期)为Ts=T/2N，在第i个区间正弦波的面积为：
设输出PWM波的幅值为E，若采取单极性调制，则第i个区间内的PWM波形所围面积为：
若采取双极性调制，则第i个区间内的PWM波形所围面积为：
式中，Tpi为脉冲的宽度，考虑到有Ts=Tpi+2Tgi，令Sri=Spi，由式(1)和式(2)整理可得：
式中M=Um/E为调制深度，由式(4)或式(5)可分别打算出PWM的脉冲换相点公式为 ：
由图1可知，等面积PWM法天生的PWM波形在T/2处是点对称的，因而可推导出：
在上述打算公式中，式(8)为单极性PWM调制，式(9)为双极性调制。在打算过程中，虽然δi的表达式包含有三角函数的打算，但它仅与N有关，一旦N确定后，可事先将打算好的δi存入内存中，须要时通过查表办法获取即可。从k的表达式可以看出，k正比于调制深度而反比于基波频率ω。这对付电机的变频调速系统，常日使U/f比为常数来达到恒转矩 掌握，即只需使k值为一个常数即可。
3 单片机实现PWM技能的设计
采取单片机实现PWM，为了担保能够知足变流电路的掌握性能哀求，设计时必须处理好以下 几个技能问题。
3.1 载波比
采取微机天生PWM波时，必须事先确定好载波比N(或2N)。如果输出频率的变革范围较大，那 么在全体频率范围内采取同一个载波比的同步调制方案，难以兼顾高频和低频输出时的性能。较大的载波比每每会造成高频时PWM开关频率过高，导致开关器件的开关损耗增加，而较小的载波比又会造成低频时PWM波过于稀疏，使电流脉动增大、谐波分量增加等缺陷。因此 采取分段同步调制是较合理的方法，即在不同的频率段选择不同的载波比，使变频器在全体频率变革范围内，都有一个较为合理的PWM开关频率，以得到较好的掌握性能。然而载波比的选择和切换时必须把稳两点：
(1)切换时不涌现电压的突变。
(2)在各切换临界点处需设置一个滞环区，以避免输出频率落在临界切换点附近时造成载波 频率反复变革而引起的振荡征象。
3.2 PWM波的开关频率极限
由于PWM波是通过单片机CPU实时打算的，因此所选择PWM算法的数据处理量大小以及CPU的处 理速率是影响输出PWM波开关频率极限的紧张成分。设计时必须担保单片性能输出的PWM波的最高开关频率知足逆变器哀求，当然对逆变器的最低事情频率哀求是很随意马虎知足的。
3.3 PWM波的输出频率和调制深度指令
在变频调速系统中，由于逆变器的输出频率是可调的，因而哀求PWM算法的输出频率和调制 深度都能根据实际须要变革以适应电机恒V/f比或恒功率掌握的哀求。一样平常，逆变器的输出频率指令可通过A/D转换输入到单片机中，调制深度M可以用软件打算完成，也可采纳类似的方法读入CPU。
3.4 桥臂互锁及去世区韶光
为了担保逆变器同一桥臂高下两管同时导通而引起的短路，两驱动旗子暗记间必须留有一定的去世 区韶光，以防止一管还未完备关断时另一管便开始导通的短路故障。此哀求可以在单片机PWM波的打算程序中加以考虑。然而这样做每每会增加单片机的数据处理事情量，而且仅靠软件实现高下桥臂开关管的互锁和去世区延迟也不可靠，因此，为担保电路的安全性，建议最好在硬件电路设计上充分考虑并实现此项哀求。
3.5 初始状态及故障封锁
任何一款型号的CPU，事情前总存在复位状态，此时CPU各I/O输出口全“1”或全“0”，设 计时应避免在此复位状态时造成所有开关管都被驱动导通的危险，因此应将CPU复位时的初 始电平值设置成开关管驱动旗子暗记无效状态。此外，当发生故障时，也可以通过输出故障封锁旗子暗记来关闭驱动旗子暗记。
4 PWM波的单片机掌握
在本文剖析的洗衣机电机掌握中，逆变器的输出频率由给定电位器调节，经A/D转换输入至 单片机，由单片机根据给定输出频率的大小打算逆变器电压，以适应变频调速的恒V/f 比掌握哀求。掌握芯片采取AT90S8535单片机。
AT90S8535是40脚封装的RISC构造低功耗CMOS 8位单片机，具有8K字节的Flash,512字节的EE PROM，512字节RAM，32个多功能的I/O口，3个内部定时/计数器，8通道10位A/D转换器，2个外部中断源，可编程的串行通讯，可编程的看门狗定时器等资源，适宜于许多哀求集成度高、本钱低的运用处所，其引脚配置如图2所示。
设逆变器输出压频变革关系曲线是已知的，当逆变器的输出频率确定后，PWM掌握的载波比 和调制深度指令也随之确定。单片机的资源分配为：39脚的PA1作为A/D采样输入口，采样输出频率；PC0～PC3作为PWM输出的驱动旗子暗记，设置为输出口；17脚的INT1外部中断作为电路 故障旗子暗记(如过流、过压、短路等)的输入脚，同时该脚也作为“解除闭锁”掌握位的输入脚，其浸染在于：当故障发生时，由外部中断输入引脚的旗子暗记变革向CPU提出中断要求，CPU相应中断，在实行中断做事程序中输出PWM封锁旗子暗记并实现闭锁，直到解除闭锁掌握位有效时，才撤销PWM封锁旗子暗记，使PWM波能够正常输出。由于AT90S8535芯片的复位时端口的初始状态是“高”，因此封锁旗子暗记和驱动旗子暗记均设置成“低”电平为无效状态，此时端口输出旗子暗记使所有功率开关管处于关断状态。PWM波的载波周期由片内T0定时器来完成，PWM波换相所需的韶光由片内T1定时器来实现。采取AT90S8535单片机实现的单相PWM波形发生器的硬件连接关系如图3所示。
5 单片机掌握软件设计
按上述算法剖析，软件只打算PWM波的切换韶光，在CPU中由定时中断做事程序完成PWM脉冲 波的换相。其详细过程：PWM的载波周期Ts由载波周期定时器定时，当定时到时，向C PU发出中断申请，CPU相应中断并实行中断做事程序，此中断做事程序的紧张任务是将保存 在内存中的PWM开关定时数据(在上一个载波周期打算出来的PWM换相定时韶光)送PWM波定时器，并启动此定时器事情，然后再打算下一个载波周期的PWM数据并保存。
PWM波定时器根据载波周期定时中断做事程序送来的开关数据进行定时掌握，在中断做事程 序中完成对PWM的换相并输出至端口。
主程序的紧张任务是，对逆变器输出频率指令f的采样或打算，并打算与频率指令对应的调 制深度指令、载波比、载波周期定时常数等，为载波周期定时中断做事程序的打算供应实时指令。然而在变频切换时，由于电压跟随频率的变革而改变，变频瞬间随意马虎产生电流冲击。常日办理办法是在基波电压过零时(即0°、180°)，变频瞬间无电流冲击，但该方法会造成频 率变革相应过程较慢，特殊是低频时相应韶光过长。因此最好能设计成在任何一个载波周期结束时候都可以进行频率切换，为防止电流冲击的产生，此时应使频率切换前后的基波电压不仅与频率和相位有关，还和调制比有关，使得打算频率变革前后基波电压相等的条件相称费时，因此在实现过程中，一样平常按相位相等的原则进行频率切换。即在新旧频率切换时，根据脉冲计数器所表示的相位关系进行等相位切换。假定旧频率时的载波比为N1，频率变革的切换时候计数器值为P1，新频率时载波比为N2，切换时新频率计数器的值P2应为：
求出P2后再进行切换。
实现PWM算法的全体掌握程序流程如图4所示。
6 实验与结论
按照上述设计方法，研制了单片机掌握系统的软硬件，并进行了实验，其输出波形如图5所 示。实验证明，该方法大略可行，掌握性能良好，具有一定的实用代价。
此外，三相PWM发生器的实现方法与单相也是相似的，不同之处在于三相PWM发生器须要3个 PWM波换相定时器，再加上载波周期定时器，共需4个定时器。至于三相PWM发生器的软件设计，其基本的设计方法与单相的是相同的，这里不再谈论。
