增強(qiáng)型脈寬調(diào)制模塊PWM

1、第八講：增強(qiáng)型脈寬調(diào)制模塊第八講：增強(qiáng)型脈寬調(diào)制模塊PWMPWM1 1、PWMPWM控制基本原理控制基本原理2 2、PWMPWM結(jié)構(gòu)及組成單元結(jié)構(gòu)及組成單元3 3、PWMPWM模塊寄存器模塊寄存器4 4、手把手教你、手把手教你-PWM-PWM輸出輸出 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。PWM控制技術(shù)就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列的脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形。在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加載到具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相

2、同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把輸出波形用傅立葉變化分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。PWMPWM控制基本原理控制基本原理 例如圖8.1a、b、c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，其中圖8.1a為矩形脈沖、圖8.1b為三角形脈沖、8.1c為正弦半波脈沖，但他們的面積（即沖量）都等于1，那么當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)(如圖8.2a)，電路輸入為e(t)，窄脈沖，如圖8.1a、b、c、d所示，其輸出響應(yīng)基本相同,如圖8.2b，電路輸出為i(t)。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D8.1d的單位脈沖函數(shù)(t)時(shí)，一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。從輸出波形中可以看出，在輸出波形的上升

3、段，脈沖形狀不同時(shí)，輸出波形的形狀略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各輸出波形的差異也越小。如果周期性的施加上述脈沖，則響應(yīng)也是周期性的。用傅立葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各輸出波形在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段上略有差異。面積等效原理是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。PWMPWM控制基本原理控制基本原理圖8.1圖8.2PWMPWM控制基本原理控制基本原理PWMPWM控制基本原理控制基本原理 我們目前很多電力應(yīng)用都是采用的正弦交流電，下面我們就來看一下如何用一系列脈沖來代替一個(gè)正弦半波。 如圖8.3a，把正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。

4、這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)的正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖的相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就得到圖8.3b所示的脈沖序列。這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化tOua )b )圖 6 - 3Out的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形。 要

5、改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖寬度即可。圖8.3PWMPWM控制基本原理控制基本原理 在實(shí)際應(yīng)用中，很多部件內(nèi)部都有自己的慣性環(huán)節(jié)（積分器），比如電機(jī)本身就是非常理想的低通濾波器，PWM信號(hào)的一個(gè)很重要的用途就是數(shù)字電機(jī)控制。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，PWM信號(hào)控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)閉，從而使得功率器件為電機(jī)的繞組提供期望的電流和能量。相電流的頻率和能量可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，這樣提供給電機(jī)的控制電流和電壓都是調(diào)制信號(hào)，而且這個(gè)調(diào)制信號(hào)的頻率比PWM載波頻率要低。采用PWM控制方式可以為電機(jī)繞組提供良好的諧波電壓和電流，避免因?yàn)榄h(huán)境變化產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)，并且能夠顯著

6、提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。為能夠給電機(jī)提供具有足夠驅(qū)動(dòng)能力的正弦波控制信號(hào)，可以采用PWM輸出信號(hào)經(jīng)過NPN或PNP功率開關(guān)管實(shí)現(xiàn)，如圖8.4所示。 功率開關(guān)管在輸出大電流的情況下，若控制開關(guān)管工作在線性區(qū)，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生很大的熱損耗，降低電源的使用效率，同時(shí)開關(guān)管也容易過燙超過結(jié)溫而炸掉，所以一般使開關(guān)管工作在靜態(tài)切換狀態(tài)（On： Ice=Iceat,Off：Ice=0）即飽和與截止兩個(gè)狀態(tài)，在該狀態(tài)下，開關(guān)管有較小功率耗損，且狀態(tài)穩(wěn)定，也符合數(shù)字控制邏輯對(duì)開關(guān)邏輯的要求。圖8.4 PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種，微控制器輸出的電平一般都是確定的，所以一般調(diào)整微控制器輸出矩形脈沖的

7、占空比，就可以輸出等幅不等寬的PWM波，微控制器輸出的PWM波功率有限，主要是用來驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管的。通過對(duì)功率開關(guān)器件的開關(guān)控制，可以輸出更大功率更多形狀的PWM波形，將功率開關(guān)器件的開關(guān)拓?fù)溥壿嫿M合變化，就可以輸出不等幅即多電平的大功率PWM波形。PWM就像大功率DA轉(zhuǎn)換器一樣，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，只是PWM是用調(diào)制脈寬的方法來將數(shù)字信號(hào)等效替代模擬信號(hào)。也可以認(rèn)為PWM電路就是一類特殊DA電路。 PWM控制一般就包括兩部分電路，一部分是功率開關(guān)管組成的功率電路，另一部分是由微控制器組成的來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。微控制器產(chǎn)生的單周期PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)本身很簡(jiǎn)單，主要包括四個(gè)要素，周期、脈寬

8、、脈沖相位、脈沖個(gè)數(shù)，但是每個(gè)周期的脈沖波形的寬度會(huì)變化，有時(shí)對(duì)脈沖的具體相位也有要求，脈沖寬度如何具體調(diào)制，這就要根據(jù)具體的控制場(chǎng)合以及功率電路來進(jìn)行算法研發(fā)，詳情要參照PWM控制相關(guān)技術(shù)，我們下邊主要介紹的是F28335如何產(chǎn)生最初的這個(gè)脈沖波形，并且每個(gè)周期的脈沖波形寬度以及具體相位都是可以配置和調(diào)整的。 目前PWM控制技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)極為廣泛，在電機(jī)拖動(dòng)、電機(jī)控制、整流、逆變、有源電力濾波（APF）、靜止無功發(fā)生器（SVG）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）、超導(dǎo)儲(chǔ)能（SMES）、LED調(diào)光、開關(guān)電源等眾多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。PWMPWM控制基本原理控制基本原理 除此之外還有6個(gè)APWM，這6個(gè)A

9、PWM是通過CAP模塊擴(kuò)展配置，可以獨(dú)立使用，所以這樣F28335最多可以有18路PWM輸出。每一組ePWM模塊都包含以下7個(gè)模塊：時(shí)基模塊TB、計(jì)數(shù)比較模塊CC、動(dòng)作模塊AQ、死區(qū)產(chǎn)生模塊DB、PWM斬波模塊PC、錯(cuò)誤聯(lián)防模塊 TZ、事件觸發(fā)模塊 ET，如圖8.5所示。PWMPWM結(jié)構(gòu)及組成單元結(jié)構(gòu)及組成單元 F28335的ePWM模塊是個(gè)加強(qiáng)模塊，與F2812的PWM模塊有較大不同，在F2812中，PWM模塊采用事件管理器控制，與eCAP和eQEP共享定時(shí)器信號(hào)，而F28335中每個(gè)ePWM模塊都是一個(gè)獨(dú)立的小模塊，這樣的體系結(jié)構(gòu)更方便我們使用與理解。每個(gè)ePWM模塊有兩路ePWM輸出組成

10、，分別為ePWMxA和ePWMxB，這一對(duì)PWM輸出，可以配置成兩路獨(dú)立的單邊沿PWM輸出，或者兩路獨(dú)立的但互相對(duì)稱的雙邊沿PWM輸出，或者一對(duì)雙邊沿非對(duì)稱的PWM輸出，共有6對(duì)這樣ePWM模塊，因?yàn)槊繉?duì)PWM模塊中的兩個(gè)PWM輸出均可以單獨(dú)使用，所以也可以認(rèn)為有12路單路ePWM。圖8.5PWMPWM結(jié)構(gòu)及組成單元結(jié)構(gòu)及組成單元每組PWM模塊主要的輸入輸出信號(hào)如下，如圖8.6所示。（1）PWM輸出信號(hào) （ePWMxA和ePWMxB）；PWM輸出引腳與GPIO引腳復(fù)用，具體配置時(shí)要參照GPIO引腳配置；（2）時(shí)間基礎(chǔ)同步輸入（ePWMXSYNCI）和輸出(ePWMxSYNCO)信號(hào)； 同步時(shí)鐘

11、信號(hào)將ePWM各個(gè)模塊的所有單元聯(lián)系在一起，每個(gè)ePWM模塊都可以根據(jù)需要被配置為使用同步信號(hào)，或忽略它的同步輸入成為獨(dú)立單元。時(shí)鐘同步輸入和輸出信號(hào)僅由ePWM1引腳產(chǎn)生，ePWM1的同步輸出也與第一個(gè)捕獲模塊（eCAP1）的同步信號(hào)相連（3）錯(cuò)誤聯(lián)防信號(hào)（ TZ1-TZ6）；當(dāng)外部被控單元符合錯(cuò)誤條件時(shí)，諸如IGBT等功率器件模塊過電壓或過電流或過熱時(shí)，這些輸入信號(hào)為ePWM模塊發(fā)出錯(cuò)誤警告。每個(gè)模塊都可以被配置為使用或忽略錯(cuò)誤聯(lián)防信號(hào)，同時(shí) -可以設(shè)置為GPIO外設(shè)的異步輸入。（4）ADC啟動(dòng)信號(hào)（ePWMSOCA和ePWMSOCB）；每個(gè)ePWM模塊都有兩個(gè)ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，任何一個(gè)

12、ePWM模塊都可以啟動(dòng)ADC。觸發(fā)ADC的轉(zhuǎn)換信號(hào)的事件由PWM模塊中事件觸發(fā)子模塊來配置。（5）外設(shè)總線；外設(shè)總線寬度為32位，允許16位和32位數(shù)據(jù)通過外設(shè)總線寫入ePWM模塊寄存器。圖8.6PWMPWM結(jié)構(gòu)及組成單元結(jié)構(gòu)及組成單元每組ePWM模塊支持以下特點(diǎn)：專用16位時(shí)基計(jì)數(shù)器，控制輸出周期和頻率；兩個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱PWM輸出（ePWMxA和ePWMxB）可以配置如下方式：兩個(gè)獨(dú)立的單邊沿操作的PWM輸出；兩個(gè)獨(dú)立的雙邊沿操作對(duì)稱的PWM輸出；一個(gè)獨(dú)立的雙邊沿操作非對(duì)稱的PWM輸出；軟件實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)異步控制；可編程的相位控制以支持超前或滯后其余的PWM模塊；逐周期硬件同步相位雙邊沿延時(shí)死區(qū)控制；可編程錯(cuò)誤聯(lián)