TMS320F2812在PWM型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、TMS320F2812 在PWM型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用2主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、TMS320F2812簡(jiǎn)介二、PWM型開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)介三、利用TMS320F2812產(chǎn)生SPWM波形3一、一、TMS320F2812簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介4p TMS320C2000系列系列DSP控制器，具有很好的性能，集成了控制器，具有很好的性能，集成了Flash存儲(chǔ)器，具有存儲(chǔ)器，具有A/D轉(zhuǎn)換器以及可靠的轉(zhuǎn)換器以及可靠的CAN模塊，主要模塊，主要應(yīng)用于數(shù)字化的控制。應(yīng)用于數(shù)字化的控制。p 價(jià)格低廉，具有很高的性能和適用于控制領(lǐng)域的功能。因此價(jià)格低廉，具有很高的性能和適用于控制領(lǐng)域的功能。因此在電機(jī)控制、工業(yè)自動(dòng)化、家用電器和消費(fèi)電

2、子等多領(lǐng)域得在電機(jī)控制、工業(yè)自動(dòng)化、家用電器和消費(fèi)電子等多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。到廣泛的應(yīng)用。1. TMS320F2812簡(jiǎn)介5p TMS320C2000系列中，系列中，TI公司推出了兩個(gè)子系列公司推出了兩個(gè)子系列C24x和和C28x，其中，其中C28x是目前數(shù)字控制領(lǐng)域中性能最高的是目前數(shù)字控制領(lǐng)域中性能最高的DSP芯芯片。片。p TMS320 x2000系列系列中中F系列和系列和C系列的區(qū)別：系列的區(qū)別：F系列帶有系列帶有Flash存儲(chǔ)器，而存儲(chǔ)器，而C系列沒(méi)有；系列沒(méi)有；F系列程序系列程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器可可重復(fù)重復(fù)編程，反復(fù)擦寫。編程，反復(fù)擦寫。1. TMS320F2812簡(jiǎn)介6p TMS3

3、20F2812是是TI公司的一款用于控制的高性能、多功公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)位定點(diǎn)DSP芯片，兼容芯片，兼容TMS320F2407指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)，最高可在，最高可在150MHz主頻下工作。主頻下工作。p TMS320F2812在在TMS320系列的基礎(chǔ)上有以下系列的基礎(chǔ)上有以下特點(diǎn)特點(diǎn)： 高性能高性能12位模位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的轉(zhuǎn)換時(shí)間為）的轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns，提，提供多達(dá)供多達(dá)16路的模擬輸入；路的模擬輸入； 基于基于TMS320C2000系列的系列的CPU核核保證了其保證了其與與TMS320系系列列DSP的的代碼代碼兼容；兼

4、容； 具有兩個(gè)事件管理器模塊具有兩個(gè)事件管理器模塊EVA和和EVB； 高高達(dá)達(dá)64K的的Flash程序存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)器，18K的的RAM； 六六個(gè)外部中斷（兩個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和三個(gè)可屏蔽中斷）個(gè)外部中斷（兩個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和三個(gè)可屏蔽中斷）1. TMS320F2812簡(jiǎn)介7p TMS320F2812片內(nèi)外設(shè)帶有兩個(gè)事件管理模塊片內(nèi)外設(shè)帶有兩個(gè)事件管理模塊EVA和和EVB，為用戶提供了眾多的功能，使得它特別適合于運(yùn)，為用戶提供了眾多的功能，使得它特別適合于運(yùn)動(dòng)控制和電動(dòng)機(jī)控制等領(lǐng)域。動(dòng)控制和電動(dòng)機(jī)控制等領(lǐng)域。p 每個(gè)事件管理器包括通用（每個(gè)事件管理器包括通用（GP）定時(shí)器、全比較器）定時(shí)器、全

5、比較器PWM單元、捕獲單元及正交脈沖編碼電路（單元、捕獲單元及正交脈沖編碼電路（QEP）。）。p 每個(gè)事件管理器均每個(gè)事件管理器均可提供兩個(gè)可提供兩個(gè)16位通用位通用定時(shí)器和八個(gè)定時(shí)器和八個(gè)16位位的的PWM通道，可以產(chǎn)生對(duì)稱、非對(duì)稱和空間矢量通道，可以產(chǎn)生對(duì)稱、非對(duì)稱和空間矢量PWM波形。波形。p 在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中，當(dāng)功率管需要互補(bǔ)控制時(shí)，每個(gè)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中，當(dāng)功率管需要互補(bǔ)控制時(shí)，每個(gè)事件管理器能共控制一組三相橋，同時(shí)每個(gè)事件管理器事件管理器能共控制一組三相橋，同時(shí)每個(gè)事件管理器還提供兩路附加的還提供兩路附加的PWM信號(hào)輸出。信號(hào)輸出。關(guān)于事件管理器模塊8二、二、PWM型開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)介

6、9p 穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源： 能為能為負(fù)載提供穩(wěn)定交流電源或直流電源的電子負(fù)載提供穩(wěn)定交流電源或直流電源的電子裝置裝置p 穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源1.線性電源與開(kāi)關(guān)電源 線性電源線性電源 開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)電源10p 線性電源線性電源： 傳統(tǒng)傳統(tǒng)電源，是先將交流電經(jīng)過(guò)變壓器降低電壓幅值，電源，是先將交流電經(jīng)過(guò)變壓器降低電壓幅值，再經(jīng)過(guò)整流電路整流后，得到脈沖直流電，后經(jīng)濾波得再經(jīng)過(guò)整流電路整流后，得到脈沖直流電，后經(jīng)濾波得到到帶有微小帶有微小波紋電壓的直流電壓波紋電壓的直流電壓。圖1 晶體管串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源 11線性電源線性電源：p 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)： 線路線路簡(jiǎn)單、干擾小，對(duì)輸入電壓和負(fù)載變化的響應(yīng)非常簡(jiǎn)單、干

7、擾小，對(duì)輸入電壓和負(fù)載變化的響應(yīng)非?？欤€(wěn)壓性能好快，穩(wěn)壓性能好。 但但其功率調(diào)整管始終工作在線性放大區(qū)，調(diào)整管上的功其功率調(diào)整管始終工作在線性放大區(qū)，調(diào)整管上的功率損耗很大，導(dǎo)致其效率較低，只有率損耗很大，導(dǎo)致其效率較低，只有20%40%，且發(fā)熱損，且發(fā)熱損耗嚴(yán)重，所需的散熱器體積大、質(zhì)量大，因此功率體積系數(shù)耗嚴(yán)重，所需的散熱器體積大、質(zhì)量大，因此功率體積系數(shù)只有只有2030W/dm3。另外。另外，對(duì)電網(wǎng)電壓范圍變化的適應(yīng)性較，對(duì)電網(wǎng)電壓范圍變化的適應(yīng)性較差。差。12p 線性電源線性電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)非?？?，穩(wěn)壓性能好，但功率轉(zhuǎn)換效的動(dòng)態(tài)響應(yīng)非?？欤€(wěn)壓性能好，但功率轉(zhuǎn)換效率太低。若能是功率調(diào)整

8、管處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，則其效率率太低。若能是功率調(diào)整管處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，則其效率將大為提高將大為提高。 對(duì)對(duì)圖圖 1 晶體管晶體管串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源進(jìn)行改串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源進(jìn)行改進(jìn)進(jìn)，可得到，可得到晶體管串聯(lián)式開(kāi)關(guān)晶體管串聯(lián)式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源。圖2 晶體管串聯(lián)式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源13p 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)電源電源： 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)電源，是電源，是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)段的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種體管開(kāi)通和關(guān)段的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，它一般由脈沖寬度調(diào)制（電源，它一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制）控制IC和和MOSFET構(gòu)成。構(gòu)成。14

9、p 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)電源電源的優(yōu)缺點(diǎn)：的優(yōu)缺點(diǎn)： 調(diào)整管作為開(kāi)關(guān)時(shí)，導(dǎo)通時(shí)（壓降小）幾乎不耗能量，調(diào)整管作為開(kāi)關(guān)時(shí)，導(dǎo)通時(shí)（壓降?。缀醪缓哪芰?，關(guān)斷時(shí)電流很小，也幾乎不消耗能量，從而大大提高了轉(zhuǎn)換關(guān)斷時(shí)電流很小，也幾乎不消耗能量，從而大大提高了轉(zhuǎn)換效率，其功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)效率，其功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%以上。以上。152. PWM控制原理 圖圖3中開(kāi)關(guān)中開(kāi)關(guān)K以以一定的一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開(kāi)和斷開(kāi)。在開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)K接通時(shí)接通時(shí)，輸入電，輸入電源源E可可通過(guò)通過(guò)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)K和濾波電和濾波電路路提供給提供給負(fù)載負(fù)載RL為為負(fù)載提負(fù)載提供供能量。能量。 在開(kāi)關(guān)K關(guān)斷時(shí)為為使負(fù)載能得到連

10、續(xù)的能量開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電使負(fù)載能得到連續(xù)的能量開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套源必須要有一套儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)能裝置，在開(kāi)關(guān)接通時(shí)將一部分能力儲(chǔ)存，在開(kāi)關(guān)接通時(shí)將一部分能力儲(chǔ)存起來(lái)，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)向負(fù)載釋放。起來(lái)，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)向負(fù)載釋放。 圖圖3中由電感中由電感L電容電容C2用以用以儲(chǔ)存能量，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)存在電感儲(chǔ)存能量，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)存在電感L和和C2中的能量通過(guò)中的能量通過(guò)二極管二極管D釋放給負(fù)載，使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量釋放給負(fù)載，使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量。圖3 開(kāi)關(guān)電源控制原理圖16p AB間的電壓平間的電壓平均值均值U0可表示為：可表示為： p 由上式可知，開(kāi)關(guān)接通時(shí)間和工作周期的比例改變，由上式

11、可知，開(kāi)關(guān)接通時(shí)間和工作周期的比例改變，AB間電壓間電壓的平均值也隨之的平均值也隨之改變，因此，隨著負(fù)載改變，因此，隨著負(fù)載及輸入電及輸入電源電壓的變化自動(dòng)源電壓的變化自動(dòng)調(diào)整調(diào)整Ton和和T的比例，便的比例，便能使輸出能使輸出電壓電壓U0維持不變。維持不變。p 改變接通時(shí)間改變接通時(shí)間Ton和工作周期和工作周期T比例比例亦即改變脈沖的亦即改變脈沖的占空占空比。這里選擇比。這里選擇了開(kāi)關(guān)了開(kāi)關(guān)周期周期T恒定，通過(guò)恒定，通過(guò)改變改變脈沖寬度脈沖寬度Ton來(lái)來(lái)改變改變占空比，這種占空比，這種方式稱為方式稱為脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制方式（方式（PWM），）， 用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓幅值頻率的用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓幅值頻率的

12、控制。控制。ETTonU*)/(017三三、利用、利用TMS320F2812產(chǎn)生產(chǎn)生SPWM波形波形18p SPWM(Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的，目前使）法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的用較廣泛的PWM法法.p 采樣控制采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同理論中的一個(gè)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(shí)，其效果基本的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相相同。同。p SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律規(guī)律變化變化、而而和正弦波等效的和正弦波等效的PWM波形波形（即（即S

13、PWM波形波形）控制控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電逆變電路中開(kāi)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(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸?shù)龋ㄟ^(guò)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出電壓的頻率和幅值1. 電壓正弦PWM（SPWM）的基本思想19p如如圖，把一個(gè)電壓正弦半波圖，把一個(gè)電壓正弦半波N等分等分 （這里（這里N=5），可以把該正弦半波），可以把該正弦半波 看成由看成由N個(gè)相連的脈沖所組成的波個(gè)相連的脈沖所組成的波 形，這些形，這些脈沖寬度相等但幅值不

14、等脈沖寬度相等但幅值不等p根據(jù)采樣控制理論中的面積等效根據(jù)采樣控制理論中的面積等效 原理，把這些等寬不等幅的脈沖，原理，把這些等寬不等幅的脈沖， 用相等數(shù)量的用相等數(shù)量的等幅不等寬等幅不等寬的的 矩形矩形 脈沖序列來(lái)代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等份的面脈沖序列來(lái)代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等份的面 積相等，則這些脈積相等，則這些脈 沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。p圖圖b所示的這些脈沖寬度按正弦規(guī)律變化、而與正弦波等效的所示的這些脈沖寬度按正弦規(guī)律變化、而與正弦波等效的PWM波形，就波形，就是希望開(kāi)關(guān)電源的逆變器輸出的是希望開(kāi)關(guān)電源的逆變器輸出的SPWM波形。由

15、于每個(gè)脈沖的幅值相等，所波形。由于每個(gè)脈沖的幅值相等，所以可對(duì)逆變器采用恒定的直流電源供電，而對(duì)逆變器各功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通以可對(duì)逆變器采用恒定的直流電源供電，而對(duì)逆變器各功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷進(jìn)行控制，其控制波形與圖與關(guān)斷進(jìn)行控制，其控制波形與圖b一致。一致。20p 在給出逆變器電路所期望輸出正弦波的頻率、幅值及半在給出逆變器電路所期望輸出正弦波的頻率、幅值及半個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)后，就能準(zhǔn)確算出每個(gè)個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)后，就能準(zhǔn)確算出每個(gè)PWM波形的波形的脈沖，即間隔。脈沖，即間隔。p 但這種方法計(jì)算較為繁瑣，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用但這種方法計(jì)算較為繁瑣，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用“調(diào)調(diào)制制”的方法，

16、把希望得到的正弦波作為調(diào)制波，受它調(diào)的方法，把希望得到的正弦波作為調(diào)制波，受它調(diào)制的信號(hào)作為載波。在制的信號(hào)作為載波。在SPWM調(diào)制中，載波通常為等腰調(diào)制中，載波通常為等腰三角波，因?yàn)榈妊遣ǖ母叨扰c寬度呈線性關(guān)系且左三角波，因?yàn)榈妊遣ǖ母叨扰c寬度呈線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與一個(gè)正弦波曲線相交時(shí)，在交點(diǎn)時(shí)刻控右對(duì)稱，當(dāng)它與一個(gè)正弦波曲線相交時(shí)，在交點(diǎn)時(shí)刻控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到一組幅值相制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到一組幅值相等而脈沖寬度正比于正弦波曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這等而脈沖寬度正比于正弦波曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這就是就是SPWM法的基本思想法的基本思想。2

17、1p 產(chǎn)生電壓產(chǎn)生電壓SPWM波的方法：硬件方法和軟件波的方法：硬件方法和軟件方法方法p 硬件方法采用專用集成電路，如硬件方法采用專用集成電路，如SA4828，HEF4752，SLE4520等等；p 軟件方法是使電路成本最低，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算來(lái)軟件方法是使電路成本最低，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算來(lái)生成生成 軟件方法產(chǎn)生軟件方法產(chǎn)生SPWM波，實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)控制器的運(yùn)算速波，實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)控制器的運(yùn)算速度要求非常高，高性能的度要求非常高，高性能的DSP無(wú)疑是能滿足這一要求的最理無(wú)疑是能滿足這一要求的最理想的選擇。想的選擇。2.產(chǎn)生電壓SPWM波的方法22p 用用軟件方法軟件方法產(chǎn)生電壓產(chǎn)生電壓SPWM信號(hào)信號(hào)，需要需要通

18、過(guò)通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算來(lái)生成生成SPWM波波。p 電壓電壓SPWM信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型 這里介紹逼近程度最好的這里介紹逼近程度最好的不對(duì)稱規(guī)則采樣法不對(duì)稱規(guī)則采樣法3. SPWM的DSP控制算法23不對(duì)稱規(guī)則采樣法生成SPWM波（1）采樣時(shí)刻t2（低點(diǎn)）：（2）根據(jù)三角形相似，有：（3） toff1=Tc/4-a ton1=Tc/4+a采樣時(shí)刻t1（頂點(diǎn)）： ton2=Tc/4+b toff1=Tc/4-b24不對(duì)稱規(guī)則采樣法生成SPWM波（4）（5）（6） t1=Tc/2*k （k=0,2,4，2N-2 頂點(diǎn)采樣） t2=Tc/2*k （k=1,3,5，2N-1 底點(diǎn)采樣）25不對(duì)稱規(guī)則采樣法生成SPWM波（7）26所以，對(duì)頂點(diǎn)采樣：所以，對(duì)頂點(diǎn)采樣：對(duì)底點(diǎn)對(duì)底點(diǎn)采樣采樣：不對(duì)稱規(guī)則采樣法生成SPWM波