基于TMS320F2812-DSP的SPWM波產(chǎn)生

PAGEPAGE1基于TMS320F2812的三相SPWM波的實(shí)現(xiàn)一、PWM的簡(jiǎn)介與發(fā)展脈寬調(diào)制（PWM：（PulseWidthModulation）是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

簡(jiǎn)而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法.通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼.PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的,因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON)，要么完全無(wú)（OFF）.電壓或電流源是以一種通(ON)或斷（OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候.只要帶寬足夠,任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換.讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。

對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn),而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離.在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式.

PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H。stemmler首先提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開辟了新的局面.

從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較,產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的PWM信號(hào)輸出，可以說(shuō)直到目前為止,PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn).

由于PWM可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。由此在交流傳動(dòng)及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以為為三類,正弦PWM(包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類)，優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形,降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如ABBACS1000系列和美國(guó)ROBICON公司的完美無(wú)諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率（THD)最小,電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。

在70年代開始至80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管,載波頻率一般最高不超過(guò)5kHz,電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注.為求得改善，隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標(biāo)系中,各頻率能量分布是均勻的)，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱?，即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價(jià)值(DTC控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率,因?yàn)殡S機(jī)PWM技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問題的全新思路。二、幾種PWM控制方法

采樣控制理論中有一個(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)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率.

PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現(xiàn)代控制理論，非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展.到目前為止,已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有以下8類方法.

2。1等脈寬PWM法

VVVF（VariableVoltageVariableFrequency)裝置在早期是采用PAM（PulseAmplitudeModulation）控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓。等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來(lái)的，是PWM法中最為簡(jiǎn)單的一種.它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波,通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。相對(duì)于PAM法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu),提高了輸入端的功率因數(shù),但同時(shí)也存在輸出電壓中除基波外,還包含較大的諧波分量。

2。2隨機(jī)PWM

在上世紀(jì)70年代開始至上世紀(jì)80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般不超過(guò)5kHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動(dòng)引起了人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生.其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標(biāo)系中,各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變,但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱.正因?yàn)槿绱耍词乖贗GBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合,隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價(jià)值；另一方面則說(shuō)明了消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機(jī)PWM技術(shù)正是提供了一個(gè)分析，解決這種問題的全新思路。

2。3SPWM法

SPWM（SinusoidalPWM）法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的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的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同.SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(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)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案。

2.3。1等面積法

該方案實(shí)際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔,并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過(guò)查表的方式生成PWM信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻,其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn).

2。3。2硬件調(diào)制法

硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào),把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波,當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形.其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn),在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,就可以生成SPWM波.但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。

2。3。3軟件生成法

由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易,因此,軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法,即自然采樣法和規(guī)則采樣法。

2。3。3.1自然采樣法

以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進(jìn)行比較,在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷,這就是自然采樣法。其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性，脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程,計(jì)算繁瑣，難以實(shí)時(shí)控制。

2。3.3。2規(guī)則采樣法

規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法,一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)SPWM法。當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)（或底點(diǎn))位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期（即采樣周期）內(nèi)的位置是對(duì)稱的，這種方法稱為對(duì)稱規(guī)則采樣。當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期（此時(shí)為采樣周期的兩倍）內(nèi)的位置一般并不對(duì)稱,這種方法稱為非對(duì)稱規(guī)則采樣。

規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn),其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡(jiǎn)單,便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算，其中非對(duì)稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦。其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小。

以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中。

2。3.4低次諧波消去法

低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法。其原理是對(duì)輸出電壓波形按傅氏級(jí)數(shù)展開,表示為u（ωt）=ansinnωt，首先確定基波分量a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0，就可以建立三個(gè)方程，聯(lián)立求解得a1，a2及a3，這樣就可以消去兩個(gè)頻率的諧波。

該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波,但是,剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會(huì)相當(dāng)大，而且同樣存在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)。該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中。

2.4梯形波與三角波比較法

前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如SPWM法,其直流電壓利用率僅為86。6%.因此，為了提高直流電壓利用率,提出了一種新的方法——梯形波與三角波比較法.該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，三角波為載波,且使兩波幅值相等，以兩波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)PWM控制。

由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí),其所含的基波分量幅值已超過(guò)了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電壓利用率。但由于梯形波本身含有低次諧波,所以輸出波形中含有5次,7次等低次諧波.

2。5線電壓控制PWM

前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時(shí)，都是對(duì)三相輸出相電壓分別進(jìn)行控制的，使其輸出接近正弦波,但是，對(duì)于像三相異步電動(dòng)機(jī)這樣的三相無(wú)中線對(duì)稱負(fù)載,逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦.因此，提出了線電壓控制PWM,主要有以下兩種方法。

三、SPWM基本原理本文以400Hz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，硬件法最實(shí)用的是采用專用集成電路，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)疑是能滿足這一要求的性價(jià)比最理想的選擇。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))作為開關(guān)管“開"或“關(guān)”的時(shí)刻,這組等腰三角形波稱為載波，而正弦波稱為調(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。四、軟件和硬件設(shè)計(jì)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、對(duì)稱和空間矢量PWM波形;（4)比較寄存器和周期寄存器可自動(dòng)裝載，減少CPU的開銷。2、SPWM波的生成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。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)稱規(guī)則采樣法,不對(duì)稱規(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)稱軸位置采樣,又在三角波的底點(diǎn)對(duì)稱軸位置采樣，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，故稱其為不對(duì)稱規(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