基于DSP的SPWM不對稱規(guī)則采樣算法的分析與實(shí)現(xiàn)-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯基于DSP的SPWM不對稱規(guī)則采樣算法的分析與實(shí)現(xiàn)-基礎(chǔ)電子摘要：本文以高性能數(shù)字信號處理芯片TMS320F2812為,設(shè)計(jì)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(shè)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(shè)計(jì)了基于TMS320F2812芯片的軟件設(shè)計(jì)流程,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(SinusoidalPulseWidthModulation)技術(shù)是為先進(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(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€D/A轉(zhuǎn)換器，而且在每次計(jì)算每個D/A采樣點(diǎn)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(diǎn)DSP，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)生控制功率開關(guān)器件的信號，經(jīng)相應(yīng)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(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（對稱規(guī)則采樣法，不對稱規(guī)則采樣法）。自然采樣法在計(jì)算SPWM波的脈寬時要解超越方程，不適合用于實(shí)時控制。在實(shí)際控制應(yīng)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(shí)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(dāng)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(dāng)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(diǎn)位置又在底點(diǎn)位置對正弦波進(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(diǎn)采樣，k2為奇數(shù)時是底點(diǎn)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(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(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(kπ/N)在三角載波各頂點(diǎn)和底點(diǎn)時刻的采樣值可先計(jì)算制成表格，放入ROM中，供程序在線運(yùn)算時調(diào)用。可以根據(jù)負(fù)載壓頻U/f曲線實(shí)時計(jì)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(shí)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32bit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(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(shí)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(shè)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(jì)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(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)，同時比較寄存器（CMPRx,x=1、2、3）的值不斷地與定時器計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行比較，當(dāng)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(bǔ)信號PWMy,y+1。當(dāng)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(dǎo)通，否則會發(fā)生短路。因此導(dǎo)通上一橋臂的PWM須互不重疊，這就要求一個器件導(dǎo)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(dāng)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(shè)計(jì)

整個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中斷，分別是：

①定時器T1中斷子程序：完成三個比較寄存器（CMPRx,x=1、2、3）的計(jì)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。

③PDPA中斷，用于保護(hù)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(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PWM1/CMP1引腳，所得實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了死區(qū)功能。實(shí)踐證明，以TMS320F2812為基于不對稱規(guī)則采樣算法的SPW