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        基于TMS320F2812生成移相PWM的2種辦法

        2020-04-14 09:46:38盧建華郝凱敏楊文奇賈臨生
        海軍航空大學(xué)學(xué)報 2020年6期
        關(guān)鍵詞:移相全橋橋臂

        盧建華,郝凱敏,楊文奇,李 飛,賈臨生

        (1.海軍航空大學(xué),山東煙臺264001;2.92283部隊,上海201900)

        在固態(tài)變壓器[1]、三電平LLC 諧振變換器[2]、雙向全橋直流變換器[3](Bidirectional-Full-Bridge DC-DC Converter,BDC)等開關(guān)電源中,常采用移相PWM 波作為驅(qū)動信號。BDC由于具有電氣隔離好、功率密度高、能量雙向流動等特點[4],廣泛應(yīng)用于航空航天電源[5]、電動汽車、固態(tài)變壓器等領(lǐng)域。雙重移相控制[6]方式對于提高BDC 工作效率[7]有著重要意義,在航空電源方面有著較好的應(yīng)用前景。雙重移相控制方式下,BDC需要4組兩兩互補、占空比相同、相位不同的PWM波驅(qū)動,即4組兩兩互補的移相PWM波。

        在BDC 數(shù)字化控制實現(xiàn)過程中,常常采用DSP(Digital Signal Processor)作為控制核心。TMS320-F2812(以下簡稱F2812)是TI 公司推出的32 位定點DSP 芯片[8],具有處理速度快、處理精度高、性價比高等特點,常被應(yīng)用于通信[9]、工業(yè)自動化控制[10]等領(lǐng)域。F2812在一般工作方式下時,可以輸出相位相同、占空比可調(diào)的PWM波。通過合理地控制其內(nèi)部集成模塊,可以輸出多組移相PWM波[11]。

        1 雙向全橋直流變換器及其驅(qū)動信號

        BDC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。S1~S4組成原邊側(cè)的全橋電路;Q1~Q4組成副邊側(cè)的全橋電路。原、副邊全橋由高頻變壓器連接,變壓器匝數(shù)比為N ,C1、C2分別為輸入、輸出濾波電容,當(dāng)能量正向傳輸時,直流電壓源U1經(jīng)過原邊全橋、高頻變壓器、副邊全橋向負(fù)載R 供電[12]。

        當(dāng)變換器工作在雙重移相控制方式[13]下時,原、副邊全橋同一橋臂上的2 個開關(guān)管交替導(dǎo)通。假設(shè)BDC工作周期為2Ths,當(dāng)能量正向傳輸時,S4(Q4)延遲于S1(Q1)時間為t1,Q1延遲于S1時間為t2。需要指出的是,為了防止同一橋臂上開關(guān)管同時導(dǎo)通造成短路,須在同一橋臂上的2 個開關(guān)管驅(qū)動信號之間設(shè)置死區(qū)時間。BDC 在雙重移相控制方式下的驅(qū)動信號如圖2 所示,可以看出,BDC 工作在雙重移相控制方式下時需要4組兩兩互補的移相PWM波。

        圖1 BDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 BDC topology

        圖2 雙重移相控制方式下驅(qū)動信號Fig.2 Drive signal in dual-phase-shift control

        2 DSP生成帶死區(qū)控制的移相PWM

        在F2812 內(nèi)部集成了事件管理器(Event Manager,EV)模塊、通用輸入/輸出多路復(fù)用器(GPIO)模塊、以及模數(shù)轉(zhuǎn)化(ADC)模塊等[14]。其中EV模塊主要用于邏輯判斷及數(shù)據(jù)處理;GPIO模塊主要用于PWM輸出或數(shù)字信號采集;ADC 模塊主要用于模擬信號采集。F2812 輸出PWM 波的性能參數(shù)主要由EV 模塊設(shè)定。

        F2812 的EV 模塊由EVA、EVB 2 個子模塊組成,兩者具有相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能。以EVA為例,其內(nèi)部具有2個通用定時器,3個全比較單元。每個通用定時器可以產(chǎn)生1路獨立的PWM波,每個全比較單元可以產(chǎn)生2 路帶有死區(qū)控制的互補PWM[15]。利用EVA模塊的全比較單元1(輸出PWM1,PWM2)、全比較單元2(輸出PWM3,PWM4)以及EVB 模塊的全比較單元4(輸出PWM7,PWM8)、全比較單元5(輸出PWM9,PWM10),可以產(chǎn)生4組兩兩互補且?guī)绤^(qū)控制的PWM波。

        2.1 帶死區(qū)控制PWM波的實現(xiàn)

        為了防止同一橋臂上2 個開關(guān)管同時導(dǎo)通[16],設(shè)置死區(qū)時間為BDC的半個工作周期Ths的2%,F(xiàn)2812中死區(qū)時間的公式為:

        式(1)中:m 為死區(qū)定時周期寄存器的值;p 為死區(qū)定時器預(yù)定標(biāo)因子;tHSPCLK為高速時鐘HSPCLK 的時鐘周期,高速時鐘頻率一般取75 MHz。

        假設(shè)BDC 中的開關(guān)頻率為10 MHz ,周期為100 μs ,F(xiàn)2812 計數(shù)器在連續(xù)增/減模式下時,輸出PWM的頻率為:

        式(2)中:TCLK 為定時器時鐘脈沖,其值一般取37.5;T1PR 為通用定時器T1 的周期存儲器[17],根據(jù)式(2)得出,T1PR 取1 876。

        死區(qū)時間設(shè)置為2 μs,則死區(qū)定時周期寄存器m取10,死區(qū)定時器預(yù)定標(biāo)因子p 取4。

        2.2 移相PWM波的實現(xiàn)

        F2812 計數(shù)器工作在連續(xù)增/減模式下時,輸出PWM 波的原理如圖3 所示。CMPR 為比較寄存器的值,當(dāng)計數(shù)器與比較寄存器的值相等時,F(xiàn)2812的輸出電平跳變。因此,改變比較寄存器CMPR 的值,可以輸出占空比可調(diào)、相位固定的PWM波。

        圖3 F2812輸出PWM波原理圖Fig.3 Schematic diagram of F2812 output PWM

        為生成移相PWM波,可以在比較匹配、周期匹配或下溢匹配事件發(fā)生時,進入相應(yīng)的中斷子程序,通過改變比較寄存器的值來實現(xiàn)。通過改變比較寄存器的值輸出移相PWM波示意圖如圖4所示。

        圖4 生成移相PWM波示意圖Fig.4 Schematic diagram of generating phase-shifted PWM

        根據(jù)生成移相PWM波原理可知,PWM波的移相時間Δtn為:

        式(3)中:Δtn為移相PWM 延遲于PWM1 時間;CMPRx、CMPRx′分別為全比較單元x(x 取1,2,4,5)中增計數(shù)、減計數(shù)時的比較值。

        根據(jù)F2812在連續(xù)增/減模式下的工作特點,可以確定2種產(chǎn)生移相PWM的方案:

        第1 種方案為當(dāng)比較匹配事件發(fā)生時,進入比較中斷服務(wù)子程序,賦予CMPRx=T1PR-CMPRx,這樣1 個周期內(nèi)只需調(diào)用1 種中斷子程序便可以2 次改變CMPR的值,此方案需將比較寄存器CMPRx 值的更新時機設(shè)置為周期匹配或下溢匹配時[18];第2 種方案為當(dāng)周期匹配事件發(fā)生時,給比較寄存器賦值,使CMPRx=CMPRx′,下溢匹配事件發(fā)生時,再次給比較寄存器賦值,使CMPRx=T1PR-CMPRx,這樣1 個周期內(nèi)需2 次調(diào)用中斷服務(wù)子程序[19],此方案需將比較寄存器CMPRx 值的更新時機設(shè)置為“寄存器值一旦改變,則立即載入相應(yīng)寄存器”。2種方案流程圖如圖5所示。

        對比2種方案可以發(fā)現(xiàn),采用第1種方案時,主程序只需進入1 次中斷服務(wù)子程序,而第2 種方案需要主程序2 次進入中斷服務(wù)子程序。因此,第1 種方案更為簡單可靠。

        3 測試結(jié)果

        為驗證所提出方法的可行性,利用示波器讀取F2812輸出波形。圖6所示為同一全比較單元輸出的2路互補PWM波。從圖中可以看出,同一個全比較單元輸出的PWM 極性相反,死區(qū)時間為2 μs,頻率為10 kHz。

        圖6 帶有死區(qū)控制的PWM波Fig.6 PWM with dead time

        對生成移相PWM波的2種方案進行驗證,可以得到同樣的波形。圖7 所示為不同全比較單元輸出的PWM,從圖中可以看出,2個通道的PWM波占空比一樣,但通道2的PWM波延遲于通道1的PWM波。

        圖7 移相PWM波Fig.7 Phase-shifted PWM

        4 結(jié)束語

        本文對雙重移相控制方式下的BDC 驅(qū)動信號進行分析,采用F2812 型DSP 處理器實現(xiàn)了PWM 波的死區(qū)控制,并分析了2種生成移相PWM 波的方法,最后對所提出的方法進行了測試,效果良好,對于BDC閉環(huán)系統(tǒng)及其他移相控制開關(guān)電源系統(tǒng)的構(gòu)建具有重要意義。

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