基于DSP的SPWM不對(duì)稱規(guī)則采樣算法的分析與實(shí)現(xiàn)

1、基于DSP的SPWM不對(duì)稱規(guī)則采樣算法的分析與實(shí)現(xiàn)基于DSP的SPWM不對(duì)稱規(guī)則采樣算法的分析與實(shí)現(xiàn)類別：單片機(jī)/DSP摘要：本文以高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F2812為核心,設(shè)計(jì)生成了基于不對(duì)稱規(guī)則采樣算法的SPWM波形,鍵盤輸入?yún)?shù)設(shè)定調(diào)制波頻率。本文首先分析了不對(duì)稱規(guī)則算法的原理,接著設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812芯片的軟件設(shè)計(jì)流程,最后在數(shù)字示波器上顯示了實(shí)驗(yàn)波形,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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)是最為先進(jìn)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(shí)刻。SP

2、WM 技術(shù)最初是用模擬電路構(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(diǎn),這種實(shí)現(xiàn)方法電路復(fù)雜,精度較差。后來人們采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn),但由于單片機(jī)在硬件計(jì)算速度和算法計(jì)算量方面的局限,往往無法兼顧計(jì)算的精度和速度。由于DSP 具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力,能夠完全兼顧控制的精度和速度,越來越多的應(yīng)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(fèi)硬件資源，因?yàn)樾枰獛紫嗾也ň托枰獛讉€(gè)D/A 轉(zhuǎn)換器，而且在每次計(jì)算每個(gè)D/A 采樣點(diǎn)的正弦值時(shí)都需要占用CPU,不利于系統(tǒng)整體性能的提高。TMS320F2

3、812 是TI 公司推出的用于工業(yè)控制的新型32 位定點(diǎn)DSP，最高主頻150MHz，擁有豐富的外設(shè)，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)生高精度的、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可在線調(diào)節(jié)、帶死區(qū)控制的三相正弦SPWM 波形，從而實(shí)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(dǎo)通和關(guān)斷把電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實(shí)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(biāo)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(shí)現(xiàn)過程為：正弦調(diào)制波與三角載波相交，交點(diǎn)產(chǎn)

4、生控制功率開關(guān)器件的信號(hào)，經(jīng)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)SPWM 的算法包括：自然采樣法，規(guī)則采樣法（對(duì)稱規(guī)則采樣法，不對(duì)稱規(guī)則采樣法）。自然采樣法在計(jì)算SPWM 波的脈寬時(shí)要解超越方程，不適合用于實(shí)時(shí)控制。在實(shí)際控制應(yīng)用中，為減少諧波分量，多采用不對(duì)稱規(guī)則采樣法（如圖1 所示）。實(shí)踐證明，不對(duì)稱規(guī)則采樣法所形成的階梯波比對(duì)稱規(guī)則采樣法更接近于正弦波，特別是當(dāng)載波比N=3或3 的倍數(shù)時(shí)，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(dāng)逐漸增大調(diào)制率，使脈

5、寬調(diào)制向輸出方波過渡時(shí)，采用不對(duì)稱規(guī)則采樣，不會(huì)像自然采樣那樣產(chǎn)生基波幅值跳躍的現(xiàn)象。所謂不對(duì)稱規(guī)則采樣法，是指既在三角波的頂點(diǎn)位置又在底點(diǎn)位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣，此階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)三角波的周期內(nèi)的位置是不對(duì)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(shí)是頂點(diǎn)采樣，k2 為奇數(shù)時(shí)是底點(diǎn)采樣。而非對(duì)稱規(guī)則采樣法在一個(gè)載波周期里采樣兩次正弦波數(shù)值，該采樣值更真實(shí)地反映了實(shí)際的正弦波數(shù)值。這是單相SPWM 波形生成的數(shù)學(xué)模型，三相正弦電壓彼此相位差2 3 ,要用三條相位相差2 3的正弦調(diào)制波與同一三角形載波來生成三相SPW

6、M 波形，可以推得以下公式： 對(duì)于觸發(fā)時(shí)間的求解公式，根據(jù)輸入調(diào)制頻率可計(jì)算載波比N。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的運(yùn)行速度，當(dāng)選定載波比N 后，正弦函數(shù)sin(k N)在三角載波各頂點(diǎn)和底點(diǎn)時(shí)刻的采樣值可先計(jì)算制成表格，放入ROM 中，供程序在線運(yùn)算時(shí)調(diào)用?？梢愿鶕?jù)負(fù)載壓頻U/f 曲線實(shí)時(shí)計(jì)算調(diào)制比M值。由于三相交流輸入相位相差2 3，從正弦函數(shù)表中查詢某一時(shí)刻k 值的函數(shù)值sin(k N) ,賦給U 相后，查表指針向前移動(dòng)2 3 ,查得sink(1 /N+2 /3)，得到V相，指針再向前移動(dòng)2 3 ,查得sin(k1 N + 4 3) ,得到W 相。 3DSP 實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱規(guī)則采樣算法的原理 在本文中我們通

7、過TI 公司32 bit 控制器TMS320F2812 來實(shí)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(shí)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(duì)比較單元的寄存器進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置可以方便地生成所需的SPWM 波。 TMS320F2812 有兩個(gè)事件管理器模塊（EVA 或EVB），每個(gè)EV 都內(nèi)含2 個(gè)通用定時(shí)器，三個(gè)全比較單元,死區(qū)單元及輸出邏輯,事實(shí)上一個(gè)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(shè)定通用定時(shí)器T1（我們使用EVA 中的T1）的周期寄存器T1PR，并選擇通用

8、定時(shí)器T1 處于連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式，以產(chǎn)生SPWM 算法中的對(duì)稱三角波載波信號(hào)。定時(shí)器計(jì)數(shù)器T1CNT 從0 遞增到T1PR，然后再從T1PR 遞減到0，循環(huán)計(jì)數(shù)，同時(shí)比較寄存器（CMPRx ,x=1、2、3）的值不斷地與定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行比較，當(dāng)兩個(gè)值發(fā)生匹配后，比較單元的輸出信號(hào)送入PWM 電路中的對(duì)稱/非對(duì)稱波行形發(fā)生器，由它產(chǎn)生一路PWM 脈沖信號(hào),再經(jīng)過死區(qū)單元以及輸出邏輯后，產(chǎn)生一對(duì)具有可編程死區(qū)的可以驅(qū)動(dòng)同一橋臂IGBT 的互補(bǔ)信號(hào)PWMy,y+1。當(dāng)兩個(gè)功率器件串連放在主電路中組成一個(gè)橋臂時(shí)，上下兩個(gè)器件絕對(duì)不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)發(fā)生短路。因此導(dǎo)通上一橋臂的PWM 須互不重疊，

9、這就要求一個(gè)器件導(dǎo)通前，另一個(gè)器件要完全關(guān)閉，所以需要一個(gè)延遲的死區(qū)時(shí)間。如圖2 示，比較單元1、2、3 的對(duì)稱/非對(duì)稱波形發(fā)生器提供的輸入信號(hào)PHn(n=1,2,3)作為死區(qū)單元的輸入，對(duì)于每一個(gè)輸入信號(hào)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(hào)是完全相同的；當(dāng)死區(qū)單元使能時(shí),兩路輸出信號(hào)的跳變沿被一段死區(qū)時(shí)間間隔開。 4.DSP 軟件設(shè)計(jì) 整個(gè)程序分為主程序和中斷子程序兩大部分。主程序任務(wù)是：初始化啟動(dòng)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(jì)算載波比N 和定時(shí)器T1 周期寄存器的值,由負(fù)載壓頻U/f 曲線計(jì)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(gè)中斷，分別是： 定時(shí)器T1 中斷子程序：完成三個(gè)比較寄存器（CMPRx ,x=1、2、3）的計(jì)算、賦值，用于更新PWM1PWM6 的占空比。定時(shí)器T2 周期中斷，用于掃描按鍵，更新調(diào)制波頻率fm。 PDPA 中斷，用于保護(hù)功率模塊，一旦PDPA 腳為低便封鎖PWM1PWM6。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(xì)見圖（3）、圖（4）。 5實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)論 通過鍵盤設(shè)定調(diào)制波頻率，我們設(shè)定為25Hz，用數(shù)字示波器測量PW