基于DSP的SPWM不對稱規(guī)則采樣算法的分析與實現(xiàn)

1、基于DSP的SPWM不對稱規(guī)則采樣算法的分析與實現(xiàn)基于DSP的SPWM不對稱規(guī)則采樣算法的分析與實現(xiàn)類別：單片機/DSP摘要：本文以高性能數(shù)字信號處理芯片TMS320F2812為核心,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,最后在數(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)技術是最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時刻。SP

2、WM 技術最初是用模擬電路構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,精度較差。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精度和速度。由于DSP 具有強大的運算能力,能夠完全兼顧控制的精度和速度,越來越多的應用選擇使用DSP。用DSP 產生多相正弦波有多種方法，如采用D/A 轉換器，使用DSP 外接D/A 轉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。TMS320F2

3、812 是TI 公司推出的用于工業(yè)控制的新型32 位定點DSP，最高主頻150MHz，擁有豐富的外設，利用其內部硬件電路-事件管理器模塊中的全比較單元，采用SPWM 算法，可以非常方便的產生高精度的、實時性強、可在線調節(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 技術利用全控型器件的導通和關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制技術。 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：正弦調制波與三角載波相交，交點產

4、生控制功率開關器件的信號，經相應驅動電路來控制功率開關器件的通斷，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,并且當逐漸增大調制率，使脈

5、寬調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2 3 ,要用三條相位相差2 3的正弦調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： 對于觸發(fā)時間的求解公式，根據(jù)輸入調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(k 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用?？梢愿鶕?jù)負載壓頻U/f 曲線實時計算調制比M值。由于三相交流輸入相位相差2 3，從正弦函數(shù)表中查詢某一時刻k 值的函數(shù)值sin(k N) ,賦給U 相后，查表指針向前移動2 3 ,查得sink(1 /N+2 /3)，得到V相，指針再向前移動2 3 ,查得sin(k1 N + 4 3) ,得到W 相。 3DSP 實現(xiàn)不對稱規(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

8、定時器T1 處于連續(xù)增/減計數(shù)模式，以產生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，由它產生一路PWM 脈沖信號,再經過死區(qū)單元以及輸出邏輯后，產生一對具有可編程死區(qū)的可以驅動同一橋臂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，上下兩個器件絕對不能同時導通，否則會發(fā)生短路。因此導通上一橋臂的PWM 須互不重疊，

9、這就要求一個器件導通前，另一個器件要完全關閉，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，更新調制波頻率fm，根據(jù)調制波頻率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： 定時器T1 中斷子程序：完成三個比較寄存器（CMPRx ,x=1、2、3）的計算、賦值，用于更新PWM1PWM6 的占空比。定時器T2 周期中斷，用于掃描按鍵，更新調制波頻率fm。 PDPA 中斷，用于保護功率模塊，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，詳細見圖（3）、圖（4）。 5實驗波形及結論 通過鍵盤設定調制波頻率，我們設定為25Hz，用數(shù)字示波器測量PW