基于TMS320F2812-DSP的SPWM波產(chǎn)生

PAGEPAGE1基于TMS320F2812的三相SPWM波的實現(xiàn)一、PWM的簡介與發(fā)展脈寬調(diào)制（PWM：（PulseWidthModulation）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法.通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼.PWM信號仍然是數(shù)字的,因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON)，要么完全無（OFF）.電壓或電流源是以一種通(ON)或斷（OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候.只要帶寬足夠,任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換.讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點,而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離.在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式.

PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H。stemmler首先提出把這項通訊技術(shù)應用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應用開辟了新的局面.

從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較,產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止,PWM在各種應用場合仍在主導地位，并一直是人們研究的熱點.

由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點。由此在交流傳動及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應用。PWM控制技術(shù)大致可以為為三類,正弦PWM(包括電壓，電流或磁通的正弦為目標的各種PWM方案，多重PWM也應歸于此類)，優(yōu)化PWM及隨機PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形,降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢（如ABBACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率（THD)最小,電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標。

在70年代開始至80年代初，由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管,載波頻率一般最高不超過5kHz,電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關(guān)注.為求得改善，隨機PWM方法應運而生。其原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標系中,各頻率能量分布是均勻的)，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其特殊的價值(DTC控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率,因為隨機PWM技術(shù)提供了一個分析、解決問題的全新思路。二、幾種PWM控制方法

采樣控制理論中有一個重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),對半導體開關(guān)器件的導通和關(guān)斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率.

PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,在上世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應用。隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現(xiàn)代控制理論，非線性系統(tǒng)控制思想的應用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展.到目前為止,已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點，到目前為止主要有以下8類方法.

2。1等脈寬PWM法

VVVF（VariableVoltageVariableFrequency)裝置在早期是采用PAM（PulseAmplitudeModulation）控制技術(shù)來實現(xiàn)的,其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓。等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個缺點發(fā)展而來的，是PWM法中最為簡單的一種.它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波,通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。相對于PAM法，該方法的優(yōu)點是簡化了電路結(jié)構(gòu),提高了輸入端的功率因數(shù),但同時也存在輸出電壓中除基波外,還包含較大的諧波分量。

2。2隨機PWM

在上世紀70年代開始至上世紀80年代初，由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般不超過5kHz，電機繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關(guān)注。為求得改善，隨機PWM方法應運而生.其原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標系中,各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變,但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱.正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合,隨機PWM仍然有其特殊的價值；另一方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機PWM技術(shù)正是提供了一個分析，解決這種問題的全新思路。

2。3SPWM法

SPWM（SinusoidalPWM）法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同.SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案。

2.3。1等面積法

該方案實際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計算各脈沖的寬度和間隔,并把這些數(shù)據(jù)存于微機中，通過查表的方式生成PWM信號控制開關(guān)器件的通斷，以達到預期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點，可以準確地計算出各開關(guān)器件的通斷時刻,其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實時控制的缺點.

2。3。2硬件調(diào)制法

硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號,把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波,當調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形.其實現(xiàn)方法簡單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點,在交點時刻對開關(guān)器件的通斷進行控制,就可以生成SPWM波.但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復雜，難以實現(xiàn)精確的控制。

2。3。3軟件生成法

由于微機技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易,因此,軟件生成法也就應運而生。軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法,即自然采樣法和規(guī)則采樣法。

2。3。3.1自然采樣法

以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進行比較,在兩個波形的自然交點時刻控制開關(guān)器件的通斷,這就是自然采樣法。其優(yōu)點是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點有任意性，脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達式是一個超越方程,計算繁瑣，難以實時控制。

2。3.3。2規(guī)則采樣法

規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法,一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷，從而實現(xiàn)SPWM法。當三角波只在其頂點（或底點)位置對正弦波進行采樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期（即采樣周期）內(nèi)的位置是對稱的，這種方法稱為對稱規(guī)則采樣。當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期（此時為采樣周期的兩倍）內(nèi)的位置一般并不對稱,這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣。

規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進,其主要優(yōu)點就是是計算簡單,便于在線實時運算，其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦。其缺點是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小。

以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中。

2。3.4低次諧波消去法

低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法。其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開,表示為u（ωt）=ansinnωt，首先確定基波分量a1的值，再令兩個不同的an=0，就可以建立三個方程，聯(lián)立求解得a1，a2及a3，這樣就可以消去兩個頻率的諧波。

該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波,但是,剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大，而且同樣存在計算復雜的缺點。該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中。

2.4梯形波與三角波比較法

前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如SPWM法,其直流電壓利用率僅為86。6%.因此，為了提高直流電壓利用率,提出了一種新的方法——梯形波與三角波比較法.該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號，三角波為載波,且使兩波幅值相等，以兩波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷實現(xiàn)PWM控制。

由于當梯形波幅值和三角波幅值相等時,其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電壓利用率。但由于梯形波本身含有低次諧波,所以輸出波形中含有5次,7次等低次諧波.

2。5線電壓控制PWM

前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時，都是對三相輸出相電壓分別進行控制的，使其輸出接近正弦波,但是，對于像三相異步電動機這樣的三相無中線對稱負載,逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦.因此，提出了線電壓控制PWM,主要有以下兩種方法。

三、SPWM基本原理本文以400Hz三相逆變電源的研發(fā)為依托，介紹利用TMS320F2812生成電壓SPWM的技術(shù).產(chǎn)生電壓SPWM波的方法可分為硬件法和軟件法兩類，硬件法最實用的是采用專用集成電路，如SA4828，HEF4752，SLE4520等，軟件法是使電路成本最低的方法，他通過實時計算來生成SPWM波，實時計算對控制器的運算速度要求非常高,高性能的DSP（數(shù)字信號處理器）無疑是能滿足這一要求的性價比最理想的選擇。產(chǎn)生SPWM波的原理是：用一組等腰三角波與一個正弦波進行比較,其相交的時刻（即交點)作為開關(guān)管“開"或“關(guān)”的時刻,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，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。四、軟件和硬件設(shè)計1、TMS320F2812的事件管理器模塊TMS320F2812是TI公司推出的高速數(shù)字信號處理芯片,器件上集成了多種先進的外設(shè)，為電機及其他運動控制領(lǐng)域應用的實現(xiàn)提供了良好的平臺,控制生成SPWM主要利用的是片上的事件管理器模塊(EVA和EVB），該模塊具有以下主要功能：(1)5個獨立的PWM輸出，其中3個由比較單元產(chǎn)生，2個由通用定時器產(chǎn)生。另外還有3個由比較單元產(chǎn)生的PWM互補輸出;（2）由比較單元產(chǎn)生的PWM死區(qū)可編程;（3）能夠產(chǎn)生可編程的非對稱、對稱和空間矢量PWM波形;（4)比較寄存器和周期寄存器可自動裝載，減少CPU的開銷。2、SPWM波的生成2、1總體思路本文利用的是EVA模塊,當定時器T1處于連續(xù)遞增／遞減計數(shù)模式時，計數(shù)寄存器（T1CNT）中的數(shù)值的變化軌跡就是等腰三角形，也就相當于產(chǎn)生了一系列的等腰三角形波，當比較寄存器(CMPRx,x=1，2，3）中的值與計數(shù)寄存器中的值相等時,對應的引腳（PWMx，x=1，2，3,4，5,6)上的電平就會發(fā)生跳變,從而輸出一系列的等高的方波信號,如圖2所示。至于輸出的方波的寬度,就和比較寄存器中的值一一對應,因此，只要使比較寄存器中的值按正弦規(guī)律變化,就可以得到SPWM波形。2。2算法分析通過實時計算生成電壓SPWM需要數(shù)學模型，建立數(shù)學模型的方法有多種，比如諧波消去法、等面積法、采樣型SPWM法以及他們派生出來的各種方法。本文介紹的生成SPWM波采用的是不對稱規(guī)則采樣法,不對稱規(guī)則采樣法是用階梯波去逼近正弦波，每個載波周期內(nèi)采樣兩次,既在三角波的頂點對稱軸位置采樣,又在三角波的底點對稱軸位置采樣，由于這樣采樣所形成的階梯波與三角波的交點不對稱，故稱其為不對稱規(guī)則采樣法，如圖3所示。此法所形成的階梯波與正弦波的逼近程度大大提高，所以諧波分量的幅值