用DSP實(shí)現(xiàn)三相SPWM波形設(shè)計(jì)

易韜　韋文斌

【摘 要】本文敘述了三相全橋電壓型逆變器SPWM生成方法，介紹了TI公司的控制用芯片TMS320F2812，描述了使用時(shí)間管理器EV生成三相對(duì)稱SPWM的方法。最后給出實(shí)驗(yàn)波形，結(jié)果表明，輸出波形光滑，失真率低。

【關(guān)鍵詞】TMS320F2818；SPWM；事件管理器

【Abstract】This paper introduced method to generate the three-phase full-bridge voltage inverter SPWM Modulation principle and TMS320F2812 chip. It described the use EV generates three-phase SPWM mothod.Finally the experimental results were illustrated， the output waveform is smooth and scale distortion is low.

【Key words】TMS320F2812； SPWM； Event Manager

0 前言

隨著交流異步電機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，交流伺服驅(qū)動(dòng)成為現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)的主流方向，正弦脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM是逆變技術(shù)的核心。早期通過(guò)模擬電路和數(shù)字電路硬件產(chǎn)生SPWM，雖然波形穩(wěn)定精確，但結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜、參數(shù)修改麻煩?，F(xiàn)在主流的控制方式是通過(guò)單片機(jī)等微控制器實(shí)現(xiàn)SPWM的控制，隨著信息化的迅速發(fā)展，需要處理的數(shù)據(jù)量的增大，對(duì)實(shí)時(shí)性和精度也提出了更高的要求，越來(lái)越多的用戶開始選用DSP來(lái)提高產(chǎn)品的性能。

本文介紹一種DSP處理器TMS320F2812實(shí)現(xiàn)SPWM信號(hào)的生成，并將產(chǎn)生的SPWM應(yīng)用于三相逆變電源。

1 SPWM生成方法

將正弦波分成N份，可以將正弦半波視為N個(gè)相連的脈沖序列所成的波形，并且這些脈沖寬度都為？仔/N，幅值按正弦規(guī)律變化。根據(jù)面積等效原理，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)時(shí)的效果相同?？梢杂脭?shù)量相同的等幅不等寬的矩形脈沖代替正弦波，且矩形脈沖和相應(yīng)正弦波部分沖量相等。三相橋式逆變電路如圖1所示，采用的是雙極性控制方法，其調(diào)制的原理如下。U、V、W三相調(diào)制信號(hào)urU、urV、和urW依次相差120°，且共用一個(gè)三角波載波uc。以U相為例，當(dāng)urU>uc時(shí)，給上橋臂V1導(dǎo)通，下橋臂V4關(guān)斷，電壓UUN'=Ud /2。當(dāng)urU

圖1 三相橋式逆變電路

2 程序算法

根據(jù)SPWM的控制原理，在正弦波和三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM的方法稱為自然采樣法。這種方法雖然波形最接近正弦波，但要求解復(fù)雜的超越方程，因此工廠上應(yīng)用不多。規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較為廣泛的方法，圖2為規(guī)則采樣法原理圖。在三角波負(fù)峰值時(shí)刻tD對(duì)正弦波采樣得到D點(diǎn)，在D點(diǎn)作水平直線交三角波于A、B點(diǎn)，則tA時(shí)刻和tB時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷。

設(shè)正弦調(diào)制信號(hào)波為：

u=asin？棕t（1）

根據(jù)圖3可知：

■=■（2）

脈沖寬度為：

？啄=■（1+asin？棕tD）（3）

式中a為調(diào)制度（0

圖2 對(duì)稱規(guī)則采樣法

3 系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 波形生成的方法

以U相為例，假設(shè)三角載波幅值為Ur，周期為Tr，頻率為fr。正弦調(diào)制信號(hào)波為u=asin？棕t。載波頻率fc和調(diào)制信號(hào)fr之比為載波比N=fc/fr。載波比N越大，輸出波形越趨向于正弦波。在三相PWM逆變電路中，為了使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱，必須取采用同步調(diào)制方式，并且載波比N為3的倍數(shù)。根據(jù)以上原則，取N=120，a=0.8。載波頻率為6kHZ，正弦波頻率為50HZ。根據(jù)？啄=■（1+asin？棕tD），其中tD為采樣時(shí)刻。

由此可見，DSP需要滿足以下幾個(gè)功能：連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式；比較和捕獲。

連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式：在給定初始值后，定時(shí)器先從初始值遞增到周期寄存器的值，在遞減直零，然后再?gòu)牧汩_始遞增到周期寄存器的值，不斷循環(huán)下去。

比較：當(dāng)定時(shí)器數(shù)值變化時(shí)，其數(shù)值與比較寄存器數(shù)值相等時(shí)，通過(guò)引腳輸出電平變化，產(chǎn)生PWM波形。

捕獲：通過(guò)一個(gè)引腳輸入捕獲脈沖觸發(fā)，將計(jì)數(shù)器的值讀入捕獲寄存器并申請(qǐng)中斷。用來(lái)測(cè)量脈沖寬度。

由于三相全橋電路同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)造成電源短路。所以DSP還必須有死區(qū)控制PWM電路功能。

3.2 TMS320F2812的EV模塊簡(jiǎn)介

TMS320F2812是美國(guó)TI公司推出的定點(diǎn)32位DSP芯片，運(yùn)行時(shí)鐘150MHZ，處理信息能力150MIPS，I/O口豐富，最突出的優(yōu)點(diǎn)的是具備事件管理器EV（Event Manager）。它具有2個(gè)16位的通用定時(shí)器（通用定時(shí)器1和通用定時(shí)器2），3個(gè)比較單元（比較單元1、比較單元2、比較單元3），3個(gè)捕獲單元（捕獲單元1、捕獲單元2、捕獲單元3）以及正交編碼脈沖電路（QEP電路），其中每個(gè)比較單元可以產(chǎn)生一對(duì)互補(bǔ)的PWM波，三個(gè)比較單元生成6路PWM波可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相全橋電路；捕獲單元通過(guò)捕獲輸入脈沖的上升沿或下降沿測(cè)量出信號(hào)的時(shí)間間隔，利用六個(gè)邊沿檢測(cè)單元測(cè)量外部信號(hào)的時(shí)間差，從而確定電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；正交編碼電路可以對(duì)輸入的正交脈沖進(jìn)行編碼和計(jì)數(shù)從而得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件的速度、位置等信息。因此TMS320F2812適合用于工業(yè)控制和電機(jī)控制等領(lǐng)域。

3.3 硬件設(shè)計(jì)方法

定時(shí)器T1CON有四種計(jì)數(shù)模式（保持/停止模式；連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式；連續(xù)增計(jì)數(shù)模式；定向增/減計(jì)數(shù)模式）定時(shí)器T1工作模式取決于T1控制寄存器的第12位TMODE1和第11位TMODE0。為了得到三角波作為載波信號(hào)，令定時(shí)器T1控制寄存器T1CON取TMODE的值為1，定時(shí)器T1工作與連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式。

EVA模塊的PWM電路框圖如圖3所示，事件管理器EVA模塊有三個(gè)全比較單元，分別是比較單元1、比較單元2、比較單元3，它們的時(shí)鐘信號(hào)由通用定時(shí)器1來(lái)提供。每個(gè)比較單元能輸出一對(duì)互補(bǔ)的PWM波形，使得EVA能驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相全橋電路。當(dāng)通用定時(shí)器1計(jì)數(shù)器T1CNT與比較單元中的比較寄存器CMPRx（x=1，2，3）相等時(shí)，這是波形發(fā)生器改變引腳電平狀態(tài)，形成上升沿或下降沿，產(chǎn)生一對(duì)互補(bǔ)的PWM波形PHx和PHx_”（x=1，2，3）。通過(guò)死區(qū)單元設(shè)置死區(qū)，使得波形之間具有死區(qū)時(shí)間。最后輸出邏輯電路決定輸出的波形狀態(tài)。得到的具有死區(qū)時(shí)間的DTPHx和DTPHx_（x=1，2，3）。

圖3 EVA模塊的PWM電路功能框圖

3.4 軟件設(shè)計(jì)方法

主程序在系統(tǒng)初始化后根據(jù)式（3）計(jì)算出每個(gè)三角波中的脈沖寬度，形成正弦表，等待中斷標(biāo)志位的響應(yīng)。當(dāng)三角波周期到來(lái)前，將中斷子程序所得到的值分別送入比較寄存器CMPRx（x=1，2，3）中，使他們和通用計(jì)數(shù)器TICNT進(jìn)行比較，產(chǎn)生SPWM波形。圖4為系統(tǒng)程序流程圖。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

通過(guò)編寫好的程序下載至DSP開發(fā)板中并用示波器測(cè)量PWM1和PWM2引腳，波形穩(wěn)定毛刺不明顯，并且互補(bǔ)的兩路PWM間隔完全可以保證所需的死區(qū)時(shí)間，PWM波占空比以正弦規(guī)律變化。經(jīng)過(guò)LC濾波后輸出正弦波形，符合SPWM的調(diào)制規(guī)律，失真率低。

本研究利用了TMS320X2812的EV模塊，結(jié)合規(guī)則采樣法，實(shí)現(xiàn)了電壓型三相全橋逆變器的SPWM生成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸出波形光滑。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，非常適合低成本高可靠性的應(yīng)用場(chǎng)合。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳瑩，陳延明，沈祺鋼.基于DSP的SPWM波設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].DSP開發(fā)與應(yīng)用，2008：2.

[2]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].

[3]蘇奎峰.TMS320F2812 DPS原理與應(yīng)用實(shí)例[M].

[責(zé)任編輯：王楠]