基于DSP的SPWM信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

(北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院 北京 100000)

一、引言

各種PWM控制策略，特別是正弦脈寬調(diào)制SPWM控制已在逆變技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)是基于沖量等效原理，用一系列等幅而不等寬的窄脈沖序列代替同樣數(shù)量且彼此相連的正弦波脈沖，而這一序列的產(chǎn)生，是用正弦波與高頻三角波比較得到的。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展及高速DSP芯片的不斷推出，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)圍繞DSP展開，這也使得SPWM波的產(chǎn)生無(wú)論從硬件還是軟件上都大為簡(jiǎn)化，并且能獲得高穩(wěn)定性、高可靠性的控制效果。

本文就要介紹一種基于TI公司專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的新一代DSP處理器TMS320F2812來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM信號(hào)產(chǎn)生的方法。TMS320F2812是美國(guó)德州儀器公司TI最新研制的一代32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片，有工作頻率達(dá)150MHz的32位DSP內(nèi)核處理器，TMS320F2812片內(nèi)擁有高達(dá)128K X 16位的FLASH程序存儲(chǔ)器，在大多數(shù)情況下，可以滿足序存儲(chǔ)的需要?？刂粕蒘PWM主要利用的是片上的事件管理器模塊(EVA和EVB)，此法產(chǎn)生的SPWM波，已經(jīng)廣泛使用于逆變電路等開關(guān)器件的通斷。

用軟件實(shí)現(xiàn)SPWM波，需要一定的數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型的方法有很多，常用的有諧波消去法、等面積法、采樣型SPWM法等，本文研究的是采樣型SPWM法。其中自然采樣法雖能真實(shí)反映脈沖產(chǎn)生與結(jié)束的時(shí)刻，卻不適于微機(jī)實(shí)時(shí)控制。相比較而言，對(duì)稱規(guī)則采樣法計(jì)算簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的SPWM波形，具有速度快、變頻方便等優(yōu)點(diǎn)。精度也往往能得到保證，因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，用得最多的還是此種方法。

二、SPWM基本原理

產(chǎn)生SPWM波的原理是：用一組等腰三角波與一個(gè)正弦波進(jìn)行比較，其相交的時(shí)刻(即交點(diǎn))作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時(shí)刻，這組等腰三角形波稱為載波，而正弦波稱為調(diào)制波，如圖1所示。正弦波的頻率和幅值是可控制的，改變正弦波的頻率，就可以改變電源輸出電壓的頻率，改變正弦波的幅值，也就改變了正弦波與載波的交點(diǎn)，使輸出脈沖系列的寬度發(fā)生變化，從而改變電源輸出電壓的大小。

圖1 SPWM的實(shí)現(xiàn)方法

三、SPWM對(duì)稱規(guī)則采樣法

由于DSP的定時(shí)器產(chǎn)生的三角波都是從0往上計(jì)數(shù)到周期，然后往下計(jì)數(shù)到0，中間沒(méi)有負(fù)半波，所以從簡(jiǎn)化編程考慮，把坐標(biāo)原點(diǎn)定在三角波的波谷處。以便得到等效雙極性SPWM波。實(shí)際的模型如圖2所示，此時(shí)三角波的幅值變化范圍為0一Ur，而正弦波為：

圖2 采樣法

式中：M是調(diào)制比

對(duì)稱規(guī)則采樣法是從自然采樣法演變而來(lái)的，因?yàn)楣こ躺系膶?shí)際應(yīng)用要求計(jì)算方法簡(jiǎn)單，誤差不是很大。

其基本思想是：在等腰三角載波的波谷時(shí)刻對(duì)正弦調(diào)制波進(jìn)行采樣而得一點(diǎn)，過(guò)此點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于兩點(diǎn)，在此兩點(diǎn)控制功率器件的通斷。也就是說(shuō)，該法是用一段水平線段代替一段正弦曲線，從而將正弦波簡(jiǎn)化為階梯波。

根據(jù)相似三角形關(guān)系，可得：

所以

B、c兩相的開通時(shí)刻計(jì)算公式與A相一致，只是比較寄存器采樣時(shí)刻不同，分別為：

四、TMS320F2812的PWM電路模塊

TMS320F2812事件管理器A(EVA)的脈沖寬度調(diào)制電路共有3個(gè)全比較單元，每個(gè)單元都能輸出兩個(gè)帶有可編程死區(qū)和極性相反的PWM信號(hào)(如圖3)，正好滿足三相逆變器的需要。在控制領(lǐng)域中，PWM電路極大地減小了產(chǎn)生PWM波形的CPU開銷，也簡(jiǎn)化了用于產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制波形的控制軟件和外部硬件。

圖3 EVA的PWM電路模塊圖

設(shè)置通用定時(shí)器I(GPTl)為連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式，以此作為時(shí)基來(lái)模擬前面所述的三角載波，載波周期為2*T1PR(定時(shí)器1周期寄存器值)個(gè)定標(biāo)輸入時(shí)鐘周期。在定時(shí)器1計(jì)數(shù)的過(guò)程中，其值不斷與比較寄存器CMPRx(x=1。2，3)的值進(jìn)行比較，當(dāng)計(jì)數(shù)值與比較寄存器的值相等時(shí)，則發(fā)生比較匹配，對(duì)應(yīng)的PWM輸出引腳發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)。在連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式下，一個(gè)周期將發(fā)生兩次電平翻轉(zhuǎn)，從而輸出一對(duì)稱PWM脈沖。比較寄存器的值代表脈沖寬度計(jì)數(shù)值，實(shí)時(shí)在線改變?cè)撝担涂梢愿淖儍纱坞娖椒D(zhuǎn)的時(shí)刻，從而可以改變每個(gè)PWM脈沖的寬度。此外再通過(guò)配置死區(qū)發(fā)生單元和輸出邏輯，就可以很方便的從通用輸入/輸出(GPIO)多路復(fù)用端口輸出所需的SPWM波形。

五、軟件設(shè)計(jì)

(一)參數(shù)設(shè)置

TMS320F2812的波形發(fā)生器，屬于DSP芯片的外部事件管理模塊，占用CPU的時(shí)間很少，可以方便地產(chǎn)生三相六路帶有可編程死區(qū)和輸出極性的SPWM波形。

本文調(diào)制波頻率為50HZ,置N=255,則載波頻率就為12750HZ，以此產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻率的正弦波。

void InitSysCtrl(void)

{

Uint16 i;

EALLOW;

// 禁止開門狗

SysCtrlRegs.WDCR=0x0068;

// 初始化 PLL模塊

SysCtrlRegs.PLLCR=0xA;///系統(tǒng)時(shí)鐘30*10/2=150M

//延時(shí)，使得PLL初始化成功

for(i=0;i< 5000;i++){}

SysCtrlRegs.HISPCP.all=0x0001;//HSPCLK=150M/2=75M

SysCtrlRegs.LOSPCP.all=0x0002;//LSPCLK=150M/4=37.5M

SysCtrlRegs.PCLKCR.bit.EVAENCLK=1;//使能EVA的時(shí)鐘

EDIS;

}

在程序中設(shè)置

EvaRegs.T1CON.all=0x094e;

即T1CON寄存器的值為0000 1001 0100 1110

圖4 通用定時(shí)器控制寄存器功能框圖

對(duì)比框圖，第12、11位為01，即采用的是連續(xù)增/減模式 。10、9、8為001即輸入時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)參數(shù)為x/2,也就是說(shuō)，T1CNT每計(jì)數(shù)一次，所需要的時(shí)間是(1/37.5)us。由于T1現(xiàn)在是連續(xù)增/減模式， 那么1個(gè)PWM周期需要的是(2T1PR)個(gè)時(shí)鐘周期，因此有：

EvaRegs.COMCONA.all=0xa600;// 使能比較，下溢或周期中斷重載

EvaRegs.ACTR.all=0x0666;//1、3、5輸出高有效，2、4、6輸出低有效。

EvaRegs.DBTCONA.bit.DBT=6;//死區(qū)定時(shí)器周期為6

EvaRegs.DBTCONA.bit.EDBT1=1;//死區(qū)定時(shí)器1使能

EvaRegs.DBTCONA.bit.DBTPS=5;//死區(qū)定時(shí)器預(yù)定標(biāo)因子，死區(qū)時(shí)鐘為HSPCLK/32

(二)算法實(shí)現(xiàn)

DSP控制系統(tǒng)程序主要有主程序和中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序用來(lái)產(chǎn)生正弦脈寬SPWM信號(hào)。在主程序初始化完畢后，設(shè)置T1CON，啟動(dòng)定時(shí)器1開始工作，并重新開啟中短。

主程序：

void main(void){

k0 = 0;

h1 = 0;

h2 = 0;

InitSysCtrl();

DINT; //禁止全局中斷

IER=0;

IFR=0;

EALLOW;

// Enable PWM pins

GpioMuxRegs.GPAMUX.all = 0x00FF; // EVA PWM 1-6 pins

EDIS;

InitPieCtrl();

InitPieVectTable();

EALLOW;

PieVectTable.T1UFINT=&eva_T1UFINT_ISR;

EDIS;

IER|=M_INT2;

PieCtrl.PIEIER2.bit.INTx6=1;

InitEv();

zkb();

EvaRegs.T1CON.all=EvaRegs.T1CON.all|0x0040; //啟動(dòng)定時(shí)器1

EINT;

while(1)

{

asm("NOP");

}

}

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照以上思路編寫出的軟件經(jīng)過(guò)調(diào)試編譯，運(yùn)行良好，SPWM波形正常，如圖5。脫離仿真環(huán)境后和逆變電路連接在一起，驅(qū)動(dòng)IGBT工作，逆變出的三相正弦波波形良好。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形圖

七、結(jié)語(yǔ)

(1)利用TMS320F2812自帶的EVA，極大的方便了PWM波形的生成，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)開發(fā)提供有利保障。

(2)用TMS320F2812芯片產(chǎn)生的PWM信號(hào)具有精度高，波形可靠等優(yōu)點(diǎn)，有很高的實(shí)際使用價(jià)值。