TMS320F2812在PWM型開關電源設計中的應用

1、TMS320F2812 在PWM型開關電源設計中的應用2主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、TMS320F2812簡介二、PWM型開關電源簡介三、利用TMS320F2812產(chǎn)生SPWM波形3一、一、TMS320F2812簡介簡介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存儲器，具有存儲器，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，主要應用于數(shù)字化的控制。應用于數(shù)字化的控制。p 價格低廉，具有很高的性能和適用于控制領域的功能。因此價格低廉，具有很高的性能和適用于控制領域的功能。因此在電機控制、工業(yè)自動化、家用電器和消費電

2、子等多領域得在電機控制、工業(yè)自動化、家用電器和消費電子等多領域得到廣泛的應用。到廣泛的應用。1. TMS320F2812簡介5p TMS320C2000系列中，系列中，TI公司推出了兩個子系列公司推出了兩個子系列C24x和和C28x，其中，其中C28x是目前數(shù)字控制領域中性能最高的是目前數(shù)字控制領域中性能最高的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存儲器，而存儲器，而C系列沒有；系列沒有；F系列程序系列程序存儲器存儲器可可重復重復編程，反復擦寫。編程，反復擦寫。1. TMS320F2812簡介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、高性價比的能、高性價比的32位定點位定點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系列的基礎上有以下系列的基礎上有以下特點特點： 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)換時間為）的轉(zhuǎn)換時間為80ns，提，提供多達供多達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； 具有兩個事件管理器模塊具有兩個事件管理器模塊EVA和和EVB； 高高達達64K的的Flash程序存儲器，程序存儲器，18K的的RAM； 六六個外部中斷（兩個驅(qū)動保護、復位和三個可屏蔽中斷）個外部中斷（兩個驅(qū)動保護、復位和三個可屏蔽中斷）1. TMS320F2812簡介7p TMS320F2812片內(nèi)外設帶有兩個事件管理模塊片內(nèi)外設帶有兩個事件管理模塊EVA和和EVB，為用戶提供了眾多的功能，使得它特別適合于運，為用戶提供了眾多的功能，使得它特別適合于運動控制和電動機控制等領域。動控制和電動機控制等領域。p 每個事件管理器包括通用（每個事件管理器包括通用（GP）定時器、全比較器）定時器、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 每個事件管理器均每個事件管理器均可提供兩個可提供兩個16位通用位通用定時器和八個定時器和八個16位位的的PWM通道，可以產(chǎn)生對稱、非對稱和空間矢量通道，可以產(chǎn)生對稱、非對稱和空間矢量PWM波形。波形。p 在電動機驅(qū)動控制中，當功率管需要互補控制時，每個在電動機驅(qū)動控制中，當功率管需要互補控制時，每個事件管理器能共控制一組三相橋，同時每個事件管理器事件管理器能共控制一組三相橋，同時每個事件管理器還提供兩路附加的還提供兩路附加的PWM信號輸出。信號輸出。關于事件管理器模塊8二、二、PWM型開關電源簡介

6、9p 穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源： 能為能為負載提供穩(wěn)定交流電源或直流電源的電子負載提供穩(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.線性電源與開關電源 線性電源線性電源 開關電源開關電源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)過變壓器降低電壓幅值，電源，是先將交流電經(jīng)過變壓器降低電壓幅值，再經(jīng)過整流電路整流后，得到脈沖直流電，后經(jīng)濾波得再經(jīng)過整流電路整流后，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)缺點優(yōu)缺點： 線路線路簡單、干擾小，對輸入電壓和負載變化的響應非常簡單、干

7、擾小，對輸入電壓和負載變化的響應非常快，穩(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，導致其效率較低，只有率損耗很大，導致其效率較低，只有20%40%，且發(fā)熱損，且發(fā)熱損耗嚴重，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，對電網(wǎng)電壓范圍變化的適應性較，對電網(wǎng)電壓范圍變化的適應性較差。差。12p 線性電源線性電源的動態(tài)響應非?？?，穩(wěn)壓性能好，但功率轉(zhuǎn)換效的動態(tài)響應非?？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、管處于開關工作狀態(tài)，則其效率率太低。若能是功率調(diào)整管處于開關工作狀態(tài)，則其效率將大為提高將大為提高。 對對圖圖 1 晶體管晶體管串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源進行改串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源進行改進進，可得到，可得到晶體管串聯(lián)式開關晶體管串聯(lián)式開關穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源。圖2 晶體管串聯(lián)式開關穩(wěn)壓電源13p 開關開關電源電源： 開關開關電源，是電源，是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關晶利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關段的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種體管開通和關段的時間比率，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構成。構成。14

9、p 開關開關電源電源的優(yōu)缺點：的優(yōu)缺點： 調(diào)整管作為開關時，導通時（壓降?。缀醪缓哪芰?，調(diào)整管作為開關時，導通時（壓降?。缀醪缓哪芰?，關斷時電流很小，也幾乎不消耗能量，從而大大提高了轉(zhuǎn)換關斷時電流很小，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)換效率可達效率，其功率轉(zhuǎn)換效率可達80%以上。以上。152. PWM控制原理 圖圖3中開關中開關K以以一定的一定的時間間隔重復地接通時間間隔重復地接通和斷開和斷開。在開關在開關K接通時接通時，輸入電，輸入電源源E可可通過通過開關開關K和濾波電和濾波電路路提供給提供給負載負載RL為為負載提負載提供供能量。能量。 在開關K關斷時為為使負載能得到連

10、續(xù)的能量開關穩(wěn)壓電使負載能得到連續(xù)的能量開關穩(wěn)壓電源必須要有一套源必須要有一套儲能裝置儲能裝置，在開關接通時將一部分能力儲存，在開關接通時將一部分能力儲存起來，在開關斷開時向負載釋放。起來，在開關斷開時向負載釋放。 圖圖3中由電感中由電感L電容電容C2用以用以儲存能量，在開關斷開時，儲存在電感儲存能量，在開關斷開時，儲存在電感L和和C2中的能量通過中的能量通過二極管二極管D釋放給負載，使負載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量釋放給負載，使負載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量。圖3 開關電源控制原理圖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，開關接通時間和工作周期的比例改變，由上式

11、可知，開關接通時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，隨著負載改變，因此，隨著負載及輸入電及輸入電源電壓的變化自動源電壓的變化自動調(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 改變接通時間改變接通時間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。這里選擇了開關了開關周期周期T恒定，通過恒定，通過改變改變脈沖寬度脈沖寬度Ton來來改變改變占空比，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），）， 用來實現(xiàn)對電壓幅值頻率的用來實現(xiàn)對電壓幅值頻率的

12、控制?？刂?。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重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同理論中的一個重要結(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，其效果基本的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相相同。同。p SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦法就是以該結(jié)論為理論基礎，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關器件的通斷，使其輸出的脈沖電逆變電路中開關器件的通斷，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區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸?shù)龋ㄟ^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，把一個電壓正弦半波圖，把一個電壓正弦半波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個相連的脈沖所組成的波個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 脈沖序列來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等份的面脈沖序列來代替，矩形脈沖的中點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，就是希望開關電源的逆變器輸出的是希望開關電源的逆變器輸出的SPWM波形。由

15、于每個脈沖的幅值相等，所波形。由于每個脈沖的幅值相等，所以可對逆變器采用恒定的直流電源供電，而對逆變器各功率開關器件的開通以可對逆變器采用恒定的直流電源供電，而對逆變器各功率開關器件的開通與關斷進行控制，其控制波形與圖與關斷進行控制，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、幅值及半個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)后，就能準確算出每個個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)后，就能準確算出每個PWM波形的波形的脈沖，即間隔。脈沖，即間隔。p 但這種方法計算較為繁瑣，在實際應用中通常采用但這種方法計算較為繁瑣，在實際應用中通常采用“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)制的信號作為載波。在制的信號作為載波。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，因為等腰三角波的高度與寬度呈線性關系且左三角波，因為等腰三角波的高度與寬度呈線性關系且左右對稱，當它與一個正弦波曲線相交時，在交點時刻控右對稱，當它與一個正弦波曲線相交時，在交點時刻控制逆變電路中開關器件的通斷，就可以得到一組幅值相制逆變電路中開關器件的通斷，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，通過實時計算來軟件方法是使電路成本最低，通過實時計算來生成生成 軟件方法產(chǎn)生軟件方法產(chǎn)生SPWM波，實時計算對控制器的運算速波，實時計算對控制器的運算速度要求非常高，高性能的度要求非常高，高性能的DSP無疑是能滿足這一要求的最理無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信號信號，需要需要通

18、過通過實時計算來實時計算來生成生成SPWM波波。p 電壓電壓SPWM信號實時計算的數(shù)學模型信號實時計算的數(shù)學模型 這里介紹逼近程度最好的這里介紹逼近程度最好的不對稱規(guī)則采樣法不對稱規(guī)則采樣法3. SPWM的DSP控制算法23不對稱規(guī)則采樣法生成SPWM波（1）采樣時刻t2（低點）：（2）根據(jù)三角形相似，有：（3） toff1=Tc/4-a ton1=Tc/4+a采樣時刻t1（頂點）： ton2=Tc/4+b toff1=Tc/4-b24不對稱規(guī)則采樣法生成SPWM波（4）（5）（6） t1=Tc/2*k （k=0,2,4，2N-2 頂點采樣） t2=Tc/2*k （k=1,3,5，2N-1 底點采樣）25不對稱規(guī)則采樣法生成SPWM波（7）26所以，對頂點采樣：所以，對頂點采樣：對底點對底點采樣采樣：不對稱規(guī)則采樣法生成SPWM波