摘要：本文以高性能數(shù)字信號處理芯片TMS320F2812為,設計生成了基于不對稱規(guī)則采樣算法的SPWM波形,鍵盤輸入?yún)?shù)設定調(diào)制波頻率。本文首先分析了不對稱規(guī)則算法的原理,接著設計了基于TMS320F2812芯片的軟件設計流程,在數(shù)字示波器上顯示了實驗波形,驗證了設計的有效性和可行性。

　　1 引言

　　在三相逆變器中，SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)技術(shù)是為先進的控制算法之一,SPWM 波用于控制逆變器功率器件的開關(guān)時刻。SPWM 技術(shù)初是用模擬電路構(gòu)成三角波和正弦波發(fā)生電路,接著用比較器來確定他們的交點,這種實現(xiàn)方法電路復雜,較差。后來人們采用單片機來實現(xiàn),但由于單片機在硬件計算速度和算法計算量方面的局限,往往無法兼顧計算的和速度。由于DSP 具有強大的運算能力,能夠完全兼顧控制的和速度,越來越多的應用選擇使用DSP。用DSP 產(chǎn)生多相正弦波有多種方法，如采用D/A 轉(zhuǎn)換器，使用DSP 外接D/A 轉(zhuǎn)換器可以輸出頻率較高的正弦波，但是這種方法浪費硬件資源，因為需要幾相正弦波就需要幾個D/A 轉(zhuǎn)換器，而且在每次計算每個D/A 采樣點的正弦值時都需要占用CPU,不利于系統(tǒng)整體性能的提高。TMS320F2812 是TI 公司推出的用于工業(yè)控制的新型32 位定點DSP，主頻150MHz，擁有豐富的外設，利用其內(nèi)部硬件電路---事件管理器模塊中的全比較單元，采用SPWM 算法，可以非常方便的產(chǎn)生高的、實時性強、可在線調(diào)節(jié)、帶死區(qū)控制的三相正弦SPWM 波形，從而實現(xiàn)三相逆變器的SPWM 控制[2]。

　　2. SPWM 算法原理[3]

　　PWM 技術(shù)利用全控型器件的導通和關(guān)斷把電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實現(xiàn)變壓、變頻控制并且消除諧波,而SPWM 算法是以獲得正弦電壓輸出為目標的一種脈寬調(diào)制技術(shù)。 為了得到正弦波，需要輸出一組連續(xù)的幅值相等而寬度不相等的矩形波，實現(xiàn)過程為：正弦調(diào)制波與三角載波相交，交點產(chǎn)生控制功率開關(guān)器件的信號，經(jīng)相應驅(qū)動電路來控制功率開關(guān)器件的通斷，從而得到一系列等幅而且脈沖寬度正比于對應區(qū)間正弦波曲線函數(shù)值的矩形脈沖，即SPWM 波形。

　　用軟件方式實現(xiàn)SPWM 的算法包括：自然采樣法，規(guī)則采樣法（對稱規(guī)則采樣法，不對稱規(guī)則采樣法）。自然采樣法在計算SPWM 波的脈寬時要解超越方程，不適合用于實時控制。在實際控制應用中，為減少諧波分量，多采用不對稱規(guī)則采樣法（如圖1 所示）。實踐證明，不對稱規(guī)則采樣法所形成的階梯波比對稱規(guī)則采樣法更接近于正弦波，特別是當載波比N=3或3 的倍數(shù)時，前者的輸出電壓中不存在偶次諧波分量，其它高次諧振波分量的幅值也較小,并且當逐漸增大調(diào)制率，使脈寬調(diào)制向輸出方波過渡時，采用不對稱規(guī)則采樣，不會像自然采樣那樣產(chǎn)生基波幅值跳躍的現(xiàn)象。所謂不對稱規(guī)則采樣法，是指既在三角波的頂點位置又在底點位置對正弦波進行采樣，此階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個三角波的周期內(nèi)的位置是不對稱的，如圖1 所示。在這里，采樣周期Ts 是三角波周期Tt 的1/2，即Ts=Tt/2。

　　k1 為偶數(shù)時是頂點采樣，k2 為奇數(shù)時是底點采樣。而非對稱規(guī)則采樣法在一個載波周期里采樣兩次正弦波數(shù)值，該采樣值更真實地反映了實際的正弦波數(shù)值。這是單相SPWM 波形生成的數(shù)學模型，三相正弦電壓彼此相位差2π / 3 ,要用三條相位相差2π / 3的正弦調(diào)制波與同一三角形載波來生成三相SPWM 波形，可以推得以下公式：

　　對于觸發(fā)時間的求解公式，根據(jù)輸入調(diào)制頻率可計算載波比N。為了增強系統(tǒng)的運行速度，當選定載波比N 后，正弦函數(shù)sin(kπ / N)在三角載波各頂點和底點時刻的采樣值可先計算制成表格，放入ROM 中，供程序在線運算時調(diào)用?？梢愿鶕?jù)負載壓頻U/f 曲線實時計算調(diào)制比M值。由于三相交流輸入相位相差2π / 3，從正弦函數(shù)表中查詢某一時刻k 值的函數(shù)值sin(kπ / N) ,賦給U 相后，查表指針向前移動2π / 3 ,查得sink(1π /N+2π /3)，得到V相，指針再向前移動2π / 3 ,查得sin(k1π / N + 4π / 3) ,得到W 相。

　　3．DSP 實現(xiàn)不對稱規(guī)則采樣算法的原理

　　在本文中我們通過TI 公司32 bit 控制器TMS320F2812 來實現(xiàn)SPWM 算法。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 的時間很少，可以方便地生成6路帶編程死區(qū)和輸出極性的PWM 波[2]。通過對比較單元的寄存器進行適當?shù)脑O置可以方便地生成所需的SPWM 波。

　　TMS320F2812 有兩個事件管理器模塊（EVA 或EVB），每個EV 都內(nèi)含2 個通用定時器，三個全比較單元,死區(qū)單元及輸出邏輯,事實上一個事件管理器模塊就可以生成三相六路SPWM 脈沖波形。為了產(chǎn)生PWM 輸出，通過設定通用定時器T1（我們使用EVA 中的T1）的周期寄存器T1PR，并選擇通用定時器T1 處于連續(xù)增/減計數(shù)模式，以產(chǎn)生SPWM 算法中的對稱三角波載波信號。定時器計數(shù)器T1CNT 從0 遞增到T1PR，然后再從T1PR 遞減到0，循環(huán)計數(shù)，同時比較寄存器（CMPRx ,x=1、2、3）的值不斷地與定時器計數(shù)器的值進行比較，當兩個值發(fā)生匹配后，比較單元的輸出信號送入PWM 電路中的對稱/非對稱波行形發(fā)生器，由它產(chǎn)生一路PWM 脈沖信號,再經(jīng)過死區(qū)單元以及輸出邏輯后，產(chǎn)生一對具有可編程死區(qū)的可以驅(qū)動同一橋臂IGBT 的互補信號PWMy,y+1。當兩個功率器件串連放在主電路中組成一個橋臂時，上下兩個器件不能同時導通，否則會發(fā)生短路。因此導通上一橋臂的PWM 須互不重疊，這就要求一個器件導通前，另一個器件要完全關(guān)閉，所以需要一個延遲的死區(qū)時間。如圖2 示，比較單元1、2、3 的對稱/非對稱波形發(fā)生器提供的輸入信號PHn(n=1,2,3)作為死區(qū)單元的輸入，對于每一個輸入信號PHn ,死區(qū)單元產(chǎn)生兩路輸出： PHx 和PHx_。如果死區(qū)單元未被使能，那這兩路輸出的信號是完全相同的；當死區(qū)單元使能時,兩路輸出信號的跳變沿被一段死區(qū)時間間隔開。

　　4.DSP 軟件設計

　　整個程序分為主程序和中斷子程序兩大部分。主程序任務是：初始化啟動系統(tǒng)后，掃描鍵盤輸入，更新調(diào)制波頻率fm，根據(jù)調(diào)制波頻率fm計算載波比N 和定時器T1 周期寄存器的值,由負載壓頻U/f 曲線計算調(diào)制比M，并將N 值，M 值等信息顯示液晶顯示屏上；除主程序外一共開放了三個中斷，分別是：

　?、俣〞r器T1 中斷子程序：完成三個比較寄存器（CMPRx ,x=1、2、3）的計算、賦值，用于更新PWM1~PWM6 的占空比。②定時器T2 周期中斷，用于掃描按鍵，更新調(diào)制波頻率fm。

　?、跴DPA 中斷，用于保護功率模塊，一旦PDPA 腳為低便封鎖PWM1~PWM6。主程序流程圖與中斷子程序流程是程序的主要組成部分，詳細見圖（3）、圖（4）。

　　5．實驗波形及結(jié)論

　　通過鍵盤設定調(diào)制波頻率，我們設定為25Hz，用數(shù)字示波器測量PWM1/CMP1 引腳，所得實驗波形如圖5 所示。從圖中可知，PWM 波形的占空比是按正弦規(guī)律實時變化的，所得正弦調(diào)制波頻率也期望值一致，系統(tǒng)同時實現(xiàn)了死區(qū)功能。實踐證明，以TMS320F2812 為基于不對稱規(guī)則采樣算法的SPWM 波的設計是成功的。該系統(tǒng)具有很好的控制和較強的實時響應，實時控制能力。

參考文獻:

[1]. TMS320F2812 datasheet http://www.udpf.com.cn/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.
[2]. ROM  datasheet http://www.udpf.com.cn/datasheet/ROM+_1188413.html.