摘 要：針對(duì)SPWM波調(diào)制在逆變變頻電源中的廣泛應(yīng)用，介紹了采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320F2812的片內(nèi)外設(shè)事件管理器的功能生成三相SPWM波的方法，給出了整個(gè)程序流程圖，主要功能程序源碼和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該方法采用不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法，程序?qū)崿F(xiàn)主要采用查表法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)既能滿(mǎn)足一定控制精度要求，又能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，可以很好地控制115 V/400 Hz逆變電源的輸出。

關(guān)鍵詞：DSP；TMS320F2812；SPWM；采樣法；逆變電源

中圖分類(lèi)號(hào)：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0313103

Realization of Three—phase Voltage Source SPWM on TMS320F2812

YUAN Li1，LI Bin1，JIANG Zaifang2

(1.Faculty ofElectricalEngineeringandInformationTechnology，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，050054，China)

2.Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming，650224，China)

Abstract：The paper aims at the application of SPWM in the inverter power supply and introduces the method for generating SPWM waveform by using TMS320F2812 event manager.The flow chart，sound code and experimental results are provided.The dissymmetrical sampling algorithm and looking—up table are used.Experiment shows that the method can meet the control precision and the real—time.It can control the output voltage of the 115V/400 Hz inverter power supply.

Keywords：DSP;TMS320F2812;SPWM;sampling algorithm;inverter power supply

1 引 言

SPWM技術(shù)目前已經(jīng)在實(shí)際中得到非常普遍的應(yīng)用，尤其在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，大致可分成電壓SPWM、電流SPWM和電壓空間矢量SPWM。其中電壓和電流SPWM是從電源角度出發(fā)的SPWM，而電壓空間矢量SPWM是從電動(dòng)機(jī)角度出發(fā)的SPWM。

本文以400 Hz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(lèi)，硬件法最實(shí)用的是采用專(zhuān)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(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算來(lái)生成SPWM波，實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)控制器的運(yùn)算速度要求非常高，高性能的DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)無(wú)疑是能滿(mǎn)足這一要求的性?xún)r(jià)比最理想的選擇。

2 SPWM基本原理

PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形。SPWM波形(Sinusoidal PWM)就是脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。

產(chǎn)生SPWM波的原理是：用一組等腰三角波與一個(gè)正弦波進(jìn)行比較，其相交的時(shí)刻(即交點(diǎn))作為開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”或“關(guān)”的時(shí)刻，這組等腰三角形波稱(chēng)為載波，而正弦波稱(chēng)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(diǎn)，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。

圖1 SPWM波生成方法

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 TMS320F2812的事件管理器模塊

TMS320F2812是TI公司推出的高速數(shù)字信號(hào)處理芯片，器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，為電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺(tái)，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(gè)獨(dú)立的PWM輸出，其中3個(gè)由比較單元產(chǎn)生，2個(gè)由通用定時(shí)器產(chǎn)生。另外還有3個(gè)由比較單元產(chǎn)生的PWM互補(bǔ)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(duì)稱(chēng)、對(duì)稱(chēng)和空間矢量PWM波形；

(4) 比較寄存器和周期寄存器可自動(dòng)裝載，減少CPU的開(kāi)銷(xiāo)。

3.2 SPWM波的生成

3.2.1 總體思路

本文利用的是EVA模塊，當(dāng)定時(shí)器T1處于連續(xù)遞增/遞減計(jì)數(shù)模式時(shí)，計(jì)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(dāng)于產(chǎn)生了一系列的等腰三角形波，當(dāng)比較寄存器(CMPRx，x=1，2，3)中的值與計(jì)數(shù)寄存器中的值相等時(shí)，對(duì)應(yīng)的引腳(PWMx，x=1，2，3，4，5，6)上的電平就會(huì)發(fā)生跳變，從而輸出一系列的等高的方波信號(hào)，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(duì)應(yīng)，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。

圖2 在連續(xù)遞增/遞減模式下的PWM輸出

3.2.2 算法分析

通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算生成電壓SPWM需要數(shù)學(xué)模型，建立數(shù)學(xué)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(lái)的各種方法。本文介紹的生成SPWM波采用的是不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法，不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法是用階梯波去逼近正弦波，每個(gè)載波周期內(nèi)采樣兩次，既在三角波的頂點(diǎn)對(duì)稱(chēng)軸位置采樣，又在三角波的底點(diǎn)對(duì)稱(chēng)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(diǎn)不對(duì)稱(chēng)，故稱(chēng)其為不對(duì)稱(chēng)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更小，在實(shí)際中得到了較多的應(yīng)用。

圖3中所示，Us是三角載波峰值，Tc是三角載波周期，t1和t2分別是兩次采樣時(shí)刻，他們決定了SPWM波上的“開(kāi)”、“關(guān)”時(shí)間分別是ton1，toff1和ton2，toff2。根據(jù)三角形相似關(guān)系式推導(dǎo)可得：

式中M=UM/US，即正弦波峰值與三角波峰值之比，M稱(chēng)為調(diào)制度。N=fc/f=1/(Tcf)，即三角波頻率fc與正弦波頻率f之比，N稱(chēng)為載波比。k為偶數(shù)時(shí)代表頂點(diǎn)采樣，k為奇數(shù)時(shí)代表底點(diǎn)采樣。以上是生成單相SPWM波的數(shù)學(xué)模型，要生成三相SPWM波，必須使用三條正弦波和同一條三角波求交點(diǎn)，三相正弦波依次相差120°，所以在頂點(diǎn)采樣時(shí)三相的脈寬分別是：

圖3 不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法生成SPWM波

3.2.3 程序流程圖

程序有主程序和定時(shí)器下溢中斷子程序組成，主程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)，他的主要工作是系統(tǒng)的初始化，根據(jù)中斷子程序中給出的比較寄存器的值生成SPWM波。流程圖如圖4所示。中斷子程序的主要功能是計(jì)算比較寄存器的值，流程圖如圖5所示。

3.2.4 程序編寫(xiě)

本例程的載波頻率為12 kHz，調(diào)制波頻率為400 Hz，DSP時(shí)鐘頻率為150 MHz，載波周期Tc=1/(12×150×109)=12 388個(gè)計(jì)數(shù)周期。

主程序：

void main(void)

{ //step1:初始化系統(tǒng)控制寄存器，PLL，看門(mén)狗，時(shí)鐘等

InitSysCtrl();

EALLOW;

GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x003F;//使能PWM輸出的引腳

EDIS;

DINT;

IER=0x0000;

IFR=0x0000;//禁止和清除所有CPU中斷

InitPieCtrl() ;//初始化Pie控制寄存器位默認(rèn)狀態(tài)

InitPieVectTable();//初始化PIE中斷向量表vector table;

InitPeripherals();

//step2:設(shè)置EVA的各寄存器

EvaRegs.T1PR=(int)(TC/2);//6194個(gè)計(jì)數(shù)周期，即0X1832

EvaRegs.T1CNT=0X0000;

EvaRegs.CMPR1=(int)(TC/2);

EvaRegs.CMPR2=(int)(TC/2);

EvaRegs.CMPR3=(int)(TC/2);

EvaRegs.ACTRA.all=0x0666;//1，3，5高有效。2，4，6低有效

EvaRegs.DBTCONA.all=0X0FF8;//死區(qū)時(shí)間1.6微秒

EvaRegs.COMCONA.all=0XAA00;//使能比較，下溢重載

EvaRegs.T1CON.all=0X0842;//連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式

//設(shè)置中斷：

EvaRegs.EVAIFRA.all=0XFFFF;

EvaRegs.EVAIFRB.all=0XFFFF;

EvaRegs.EVAIFRC.all=0XFFFF;//清EVA所有中斷標(biāo)志位

EvaRegs.EVAIMRA.all=0X0200;

EvaRegs.EVAIMRB.all=0X0000;

EvaRegs.EVAIMRC.all=0X0000;

EALLOW;//更新中斷向量

PieVectTable.T1UFINT=T1UFINT_IS;

EDIS;

IER |= M_INT2;

PieCtrl.PIEIER2.bit.INTx6=1;//開(kāi)2.6級(jí)定時(shí)器1下溢中斷

EINT;

ERTM;

for(;;);

}

中斷子程序主要是計(jì)算功能，按圖5所示的流程圖一步步編寫(xiě)即可，程序不再列出。至于在計(jì)算中用到的正弦sin值，為了保證控制的實(shí)時(shí)性，最好把用到的sin值事先計(jì)算出來(lái)做成一個(gè)數(shù)組放在DSP的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，存放位置及長(zhǎng)度需在.cmd文件中進(jìn)行設(shè)置。

圖4 主程序流程圖

圖5 定時(shí)器下溢中斷子程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照以上思路編寫(xiě)出的軟件經(jīng)過(guò)調(diào)試編譯，運(yùn)行良好，SPWM波形正常，如圖6(a)、圖6(b)所示。脫離仿真環(huán)境后和逆變電路連接在一起，驅(qū)動(dòng)IGBT工作，逆變出的三相正弦波波形良好。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

利用此方法由TMS320F2812生成的SPWM波已經(jīng)在400 Hz/115 V的逆變電源中應(yīng)用，電源運(yùn)行正常，輸出的電壓頻率幅值都在允許范圍內(nèi)。結(jié)果證明該方法的準(zhǔn)確性高，完全可行，尤其在變頻變壓電源的控制中有很好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。