用DSP實現三相SPWM波形設計

易韜　韋文斌

【摘 要】本文敘述了三相全橋電壓型逆變器SPWM生成方法，介紹了TI公司的控制用芯片TMS320F2812，描述了使用時間管理器EV生成三相對稱SPWM的方法。最后給出實驗波形，結果表明，輸出波形光滑，失真率低。

【關鍵詞】TMS320F2818；SPWM；事件管理器

【Abstract】This paper introduced method to generate the three-phase full-bridge voltage inverter SPWM Modulation principle and TMS320F2812 chip. It described the use EV generates three-phase SPWM mothod.Finally the experimental results were illustrated， the output waveform is smooth and scale distortion is low.

【Key words】TMS320F2812； SPWM； Event Manager

0 前言

隨著交流異步電機的應用日益廣泛，交流伺服驅動成為現代伺服驅動的主流方向，正弦脈寬調制技術SPWM是逆變技術的核心。早期通過模擬電路和數字電路硬件產生SPWM，雖然波形穩定精確，但結構過于復雜、參數修改麻煩。現在主流的控制方式是通過單片機等微控制器實現SPWM的控制，隨著信息化的迅速發展，需要處理的數據量的增大，對實時性和精度也提出了更高的要求，越來越多的用戶開始選用DSP來提高產品的性能。

本文介紹一種DSP處理器TMS320F2812實現SPWM信號的生成，并將產生的SPWM應用于三相逆變電源。

1 SPWM生成方法

將正弦波分成N份，可以將正弦半波視為N個相連的脈沖序列所成的波形，并且這些脈沖寬度都為？仔/N，幅值按正弦規律變化。根據面積等效原理，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節時的效果相同。可以用數量相同的等幅不等寬的矩形脈沖代替正弦波，且矩形脈沖和相應正弦波部分沖量相等。三相橋式逆變電路如圖1所示，采用的是雙極性控制方法，其調制的原理如下。U、V、W三相調制信號urU、urV、和urW依次相差120°，且共用一個三角波載波uc。以U相為例，當urU>uc時，給上橋臂V1導通，下橋臂V4關斷，電壓UUN'=Ud /2。當urU

圖1 三相橋式逆變電路

2 程序算法

根據SPWM的控制原理，在正弦波和三角波的交點時刻控制開關器件的通斷，這種生成SPWM的方法稱為自然采樣法。這種方法雖然波形最接近正弦波，但要求解復雜的超越方程，因此工廠上應用不多。規則采樣法是一種應用較為廣泛的方法，圖2為規則采樣法原理圖。在三角波負峰值時刻tD對正弦波采樣得到D點，在D點作水平直線交三角波于A、B點，則tA時刻和tB時刻控制開關器件的通斷。

設正弦調制信號波為：

u=asin？棕t（1）

根據圖3可知：

■=■（2）

脈沖寬度為：

？啄=■（1+asin？棕tD）（3）

式中a為調制度（0

圖2 對稱規則采樣法

3 系統的硬件和軟件設計

3.1 波形生成的方法

以U相為例，假設三角載波幅值為Ur，周期為Tr，頻率為fr。正弦調制信號波為u=asin？棕t。載波頻率fc和調制信號fr之比為載波比N=fc/fr。載波比N越大，輸出波形越趨向于正弦波。在三相PWM逆變電路中，為了使三相輸出波形嚴格對稱，必須取采用同步調制方式，并且載波比N為3的倍數。根據以上原則，取N=120，a=0.8。載波頻率為6kHZ，正弦波頻率為50HZ。根據？啄=■（1+asin？棕tD），其中tD為采樣時刻。

由此可見，DSP需要滿足以下幾個功能：連續增/減計數模式；比較和捕獲。

連續增/減計數模式：在給定初始值后，定時器先從初始值遞增到周期寄存器的值，在遞減直零，然后再從零開始遞增到周期寄存器的值，不斷循環下去。

比較：當定時器數值變化時，其數值與比較寄存器數值相等時，通過引腳輸出電平變化，產生PWM波形。

捕獲：通過一個引腳輸入捕獲脈沖觸發，將計數器的值讀入捕獲寄存器并申請中斷。用來測量脈沖寬度。

由于三相全橋電路同一橋臂的兩個開關不能同時導通，否則會造成電源短路。所以DSP還必須有死區控制PWM電路功能。

3.2 TMS320F2812的EV模塊簡介

TMS320F2812是美國TI公司推出的定點32位DSP芯片，運行時鐘150MHZ，處理信息能力150MIPS，I/O口豐富，最突出的優點的是具備事件管理器EV（Event Manager）。它具有2個16位的通用定時器（通用定時器1和通用定時器2），3個比較單元（比較單元1、比較單元2、比較單元3），3個捕獲單元（捕獲單元1、捕獲單元2、捕獲單元3）以及正交編碼脈沖電路（QEP電路），其中每個比較單元可以產生一對互補的PWM波，三個比較單元生成6路PWM波可以驅動一個三相全橋電路；捕獲單元通過捕獲輸入脈沖的上升沿或下降沿測量出信號的時間間隔，利用六個邊沿檢測單元測量外部信號的時間差，從而確定電機的轉子轉速；正交編碼電路可以對輸入的正交脈沖進行編碼和計數從而得到旋轉機械部件的速度、位置等信息。因此TMS320F2812適合用于工業控制和電機控制等領域。

3.3 硬件設計方法

定時器T1CON有四種計數模式（保持/停止模式；連續增/減計數模式；連續增計數模式；定向增/減計數模式）定時器T1工作模式取決于T1控制寄存器的第12位TMODE1和第11位TMODE0。為了得到三角波作為載波信號，令定時器T1控制寄存器T1CON取TMODE的值為1，定時器T1工作與連續增/減計數模式。

EVA模塊的PWM電路框圖如圖3所示，事件管理器EVA模塊有三個全比較單元，分別是比較單元1、比較單元2、比較單元3，它們的時鐘信號由通用定時器1來提供。每個比較單元能輸出一對互補的PWM波形，使得EVA能驅動一個三相全橋電路。當通用定時器1計數器T1CNT與比較單元中的比較寄存器CMPRx（x=1，2，3）相等時，這是波形發生器改變引腳電平狀態，形成上升沿或下降沿，產生一對互補的PWM波形PHx和PHx_”（x=1，2，3）。通過死區單元設置死區，使得波形之間具有死區時間。最后輸出邏輯電路決定輸出的波形狀態。得到的具有死區時間的DTPHx和DTPHx_（x=1，2，3）。

圖3 EVA模塊的PWM電路功能框圖

3.4 軟件設計方法

主程序在系統初始化后根據式（3）計算出每個三角波中的脈沖寬度，形成正弦表，等待中斷標志位的響應。當三角波周期到來前，將中斷子程序所得到的值分別送入比較寄存器CMPRx（x=1，2，3）中，使他們和通用計數器TICNT進行比較，產生SPWM波形。圖4為系統程序流程圖。

圖4 系統程序流程圖

4 實驗結果和結論

通過編寫好的程序下載至DSP開發板中并用示波器測量PWM1和PWM2引腳，波形穩定毛刺不明顯，并且互補的兩路PWM間隔完全可以保證所需的死區時間，PWM波占空比以正弦規律變化。經過LC濾波后輸出正弦波形，符合SPWM的調制規律，失真率低。

本研究利用了TMS320X2812的EV模塊，結合規則采樣法，實現了電壓型三相全橋逆變器的SPWM生成。實驗結果表明，輸出波形光滑。電路結構簡單，成本低廉，非常適合低成本高可靠性的應用場合。

【參考文獻】

[1]吳瑩，陳延明，沈祺鋼.基于DSP的SPWM波設計與實現[J].DSP開發與應用，2008：2.

[2]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].

[3]蘇奎峰.TMS320F2812 DPS原理與應用實例[M].

[責任編輯：王楠]