王承宇 胡琪 王福林

（第七一五研究所，杭州，310023）

基于TMS320F28335的改進(jìn)型非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法實(shí)現(xiàn)

王承宇 胡琪 王福林

（第七一五研究所，杭州，310023）

SPWM逆變器已經(jīng)在聲吶發(fā)射機(jī)中取得了廣泛應(yīng)用。對(duì)于單頻信號(hào)而言，規(guī)則采樣算法雖然容易實(shí)現(xiàn)，但產(chǎn)生的信號(hào)中含有大量二次、三次諧波分量；自然采樣算法雖然諧波含量小，但算法復(fù)雜。為解決上述問(wèn)題，采用一種改進(jìn)型非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法，得到更接近自然采樣算法的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。在Simulink中對(duì)該算法進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明該方法在各個(gè)頻率下均能夠有效的消除輸出信號(hào)中的二次、三次諧波。在數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335實(shí)現(xiàn)該算法，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

單頻信號(hào)；非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法；數(shù)字信號(hào)處理器；TMS320F28335

正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)是將所需輸出波形作為調(diào)制波，將N倍于調(diào)制波頻率的三角波作為載波，從而獲得一組幅值相等、脈沖寬度按調(diào)制波幅值變化的窄脈沖序列。由該脈沖信號(hào)來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)管的通斷，從而把直流電逆變?yōu)榻涣麟?。因SPWM逆變器具有體積小、效率高、易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在聲吶發(fā)射機(jī)中廣泛應(yīng)用。聲吶發(fā)射機(jī)中輸出的信號(hào)類(lèi)型主要可以分為單頻信號(hào)和雙曲調(diào)頻信號(hào)兩類(lèi)。為減小單頻輸出信號(hào)中的諧波含量，本文對(duì)傳統(tǒng)的非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法進(jìn)行了改進(jìn)，以提升信號(hào)質(zhì)量，并在 TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335上實(shí)現(xiàn)了該算法。

1 單頻信號(hào)算法實(shí)現(xiàn)

1.1 非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法

圖1為傳統(tǒng)非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法示意圖，即在一個(gè)三角載波周期內(nèi)分別在載波的頂點(diǎn)和底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦調(diào)制波進(jìn)行一次采樣，并將采樣值保存。當(dāng)三角載波值達(dá)到采樣值時(shí)，輸出信號(hào)完成一次邏輯狀態(tài)切換。

圖1非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣示意圖

圖2中分別為對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣和非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法信號(hào)諧波頻譜，信號(hào)頻率 2.5 kHz，開(kāi)關(guān)頻率50 kHz?？梢钥闯鰝鹘y(tǒng)非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法輸出信號(hào)中二次諧波含量較小，但仍存在較豐富的三次諧波。

圖2 規(guī)則采樣諧波頻譜

1.2 改進(jìn)型非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法

理論分析表明自然采樣算法的優(yōu)點(diǎn)在于輸出信號(hào)中除基波外只含有載波倍頻次諧波及其邊帶諧波，不存在基波分量的整數(shù)次諧波[1]。圖3中A、B和C分別為非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣時(shí)的采樣點(diǎn)，H和I為對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)點(diǎn)。可以看出當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率不夠高時(shí)，非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法開(kāi)關(guān)點(diǎn)H和I與自然采樣算法開(kāi)關(guān)點(diǎn)F和G仍有一定差距。本文采用的方法是通過(guò)非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法的采樣點(diǎn)估算出一組新的開(kāi)關(guān)點(diǎn)，使新的開(kāi)關(guān)點(diǎn)更加接近自然采樣開(kāi)關(guān)點(diǎn)從而獲得更高的信號(hào)質(zhì)量。

圖3 非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法開(kāi)關(guān)點(diǎn)

D為AB連線中點(diǎn)，在載波遞增半周期中，可以看出F和D點(diǎn)在Y方向的差值與AB的斜率成正比，在載波遞減半周期中也有同樣規(guī)律。為減小計(jì)算量，本文將上述關(guān)系做線性處理，得到新的開(kāi)關(guān)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)點(diǎn)對(duì)應(yīng)Y方向的幅值為

由于自然采樣開(kāi)關(guān)點(diǎn)的求解為超越方程，無(wú)法直接求解。因此本文所采用的方法是在Simulink中建立仿真模型，得到輸出信號(hào)三次諧波分量隨k值的變化關(guān)系，從而解得最優(yōu)值。仿真模型見(jiàn)圖4。

圖4 Simulink仿真模型

通過(guò)上述模型，對(duì)k值由0～0.5輸出信號(hào)的基波、三次諧波分量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯龌ǚ至勘３植蛔?，三次諧波分量隨k值先減小后增大，當(dāng)k取0.25時(shí)，三次諧波含量最小。

圖5 輸出信號(hào)諧波分量隨k值變化關(guān)系

因此k的最優(yōu)取值即為0.25，最終得歸一化表達(dá)式

式中f為信號(hào)頻率，Ttr為三角載波頻率，M為調(diào)制度。

2 仿真結(jié)果

圖6為改進(jìn)型非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣諧波頻譜，與圖2圖（b）中傳統(tǒng)非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣頻譜對(duì)比可以看出三次諧波分量已經(jīng)得到了有效的抑制。分別用非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法與改進(jìn)型非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法輸出信號(hào)三次諧波含量，取基波與三次諧波分量的差值，開(kāi)關(guān)頻率均為50 kHz，仿真結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯龈倪M(jìn)型非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法的三次諧波分量在各個(gè)頻率下較非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法均有較為顯著的減小。

圖6 改進(jìn)型非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣諧波頻譜

表1 不同頻率下三次諧波分量仿真結(jié)果

3 軟件設(shè)計(jì)

TMS320F28335是 TI公司推出的 32位浮點(diǎn)DSP處理器，最大主頻達(dá)150 MHz，內(nèi)嵌256 K閃存，具有DMA控制器和PWM單元，適用于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。

程序主要可分為采樣點(diǎn)計(jì)算子程序和DMA中斷子程序兩部分[2]，在內(nèi)存中開(kāi)辟5個(gè)緩存區(qū)用于存放采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，程序功能框圖見(jiàn)圖7。采樣點(diǎn)計(jì)算程序負(fù)責(zé)計(jì)算采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入空的緩存區(qū)并修改標(biāo)志位，標(biāo)志位用于標(biāo)記存入緩存區(qū)數(shù)據(jù)的先后順序；每當(dāng)?shù)竭_(dá)三角載波的頂點(diǎn)和底點(diǎn)時(shí)刻由 DMA控制器將相應(yīng)緩存區(qū)中的采樣數(shù)據(jù)寫(xiě)入PWM 單元；當(dāng)一個(gè)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，將產(chǎn)生DMA發(fā)送完成中斷，跳入DMA中斷程序，DMA中斷程序清空前個(gè)緩存區(qū)的標(biāo)志位并切換到下一個(gè)緩存區(qū)開(kāi)始數(shù)據(jù)發(fā)送。采樣計(jì)算流程圖見(jiàn)圖8，DMA中斷流程圖見(jiàn)圖9。

圖7 程序功能框圖

圖8 采樣點(diǎn)計(jì)算子程序流程圖

圖9 DMA中斷程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別采用非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法和改進(jìn)型非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法在處理器TMS320F28335上產(chǎn)生頻率為2.5 kHz的單頻PWM信號(hào)，開(kāi)關(guān)頻率為50 kHz。通過(guò)電腦聲卡對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，在Matlab中對(duì)采集信號(hào)諧波進(jìn)行了計(jì)算，處理結(jié)果見(jiàn)圖10和圖11?？梢钥闯霾捎酶倪M(jìn)型非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法后，輸出信號(hào)中的三次諧波分量大大減小。

圖10 非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣實(shí)測(cè)諧波頻譜

圖11 改進(jìn)型非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣實(shí)測(cè)諧波頻譜

對(duì)各個(gè)頻率下輸出信號(hào)的三次諧波分量進(jìn)行了測(cè)試，從表2中可以看出改進(jìn)型非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法有良好的效果，與仿真結(jié)果一致。

表2 不同頻率下三次諧波分量實(shí)測(cè)結(jié)果

與表1仿真結(jié)果對(duì)比，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果仍有一些差別，這主要由兩方面原因?qū)е拢菏紫?，采集信?hào)使用的電腦聲卡的采樣率和分辨率分別為48 kHz和16位，采樣導(dǎo)致的時(shí)量化誤差會(huì)對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生一定影響；另一方面，為保證逆變器直流輸出端不發(fā)生短路，在實(shí)際輸出信號(hào)中設(shè)置了一定死區(qū)時(shí)間，死區(qū)信號(hào)的引入也會(huì)對(duì)輸出信號(hào)的諧波產(chǎn)生一定影響[3]。這方面原因綜合導(dǎo)致了實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果的偏差。

從表2中兩種方法的實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，改進(jìn)型非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法相比傳統(tǒng)的非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法在各個(gè)頻率下三次諧波分量均有明顯降低，證明了該方法的有效性。

5 結(jié)論

本文在 SPWM 信號(hào)非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)優(yōu)化改進(jìn)提出了一種改進(jìn)型的非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法，并對(duì)該方法原理以及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)論述。研究結(jié)果表明，該方法僅對(duì)規(guī)則采樣算法中的采樣點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性變換，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算；同時(shí)從輸出信號(hào)的諧波質(zhì)量來(lái)看，輸出信號(hào)中的三次諧波含量較傳統(tǒng)的非規(guī)則采樣算法降低了約20 dB。因此，該方法具有計(jì)算量小、輸出信號(hào)質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，適用于各類(lèi)處理器主頻有限的嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合。

[1]陳堅(jiān),康勇.電力電子學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]孫麗明.TMS320F2812原理及其 C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[3]阮新波,嚴(yán)仰光.直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2000.