基于DSP的高速變頻控制系統(tǒng)高頻SPWM控制器設(shè)計(jì)
梁中華，杜繼光，楊霞
(沈陽工業(yè)人學(xué)，遼寧沈陽110870)
摘要：文章采用TMs210F2812型號DsP控制高速變換器功率開關(guān)器件，采用對稱規(guī)則采樣算法和分段脈寬調(diào)制技術(shù)生成高頻sPwM波形，并給出主要的程序流程和實(shí)現(xiàn)方法。最后，經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀測波形結(jié)果正確無誤，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案可行。
關(guān)鍵詞：TMs2lOF2812；高頻控制；對稱規(guī)則采樣算法
0引言
數(shù)字信號處理器（DsP）的高速運(yùn)算能力使很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)，同時將實(shí)時處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身，在控制領(lǐng)域內(nèi)也得到很好的應(yīng)用，給交流電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)注入了新的活力，使變頻調(diào)速系統(tǒng)真正達(dá)到了體積小、重量輕、成本低、效率高、無公害的要求。高速電機(jī)控制系統(tǒng)采用DsP控制芯片能產(chǎn)生抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，靈活性強(qiáng)的高頻脈寬調(diào)制信號。
在DsP中，TMs320F2812型號是專門為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的控制芯片，它功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快，最適合于sPwM控制，由它來控制逆變器的6個開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)sPwM變頻調(diào)速，文中利用TI公司TMs320F2812數(shù)字信號處理器設(shè)計(jì)高頻sPwM調(diào)速器。
1 sPwM對稱規(guī)則采樣算法
sPwM的采樣算法主要有：自然采樣，對稱規(guī)則采樣，不對稱規(guī)則采樣。自然采樣法是將基準(zhǔn)正弦波與一個三角載波相比較，由兩者的交點(diǎn)決定出逆變器開關(guān)模式的方法，而正弦波與三角波兩個相鄰交點(diǎn)的時刻，不但是載波比的函數(shù)，而且是幅度調(diào)制比的函數(shù)，而求解其與幅度調(diào)制比的關(guān)系要花費(fèi)很多時間。對稱規(guī)則采樣法是只在三角波的頂點(diǎn)位置或底點(diǎn)位置對正弦波采樣而形成階梯波，此階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬在一個采樣周期內(nèi)的位置是對稱的。在對稱規(guī)則采樣中，實(shí)際的正弦波與三角載波的交點(diǎn)所確定的脈寬要比生成的PwM脈寬大，即變頻器的輸出電壓比正弦波與i角波直接比較生成PwM時輸出的電壓要低。不對稱規(guī)則采樣法是在三角波的一個周期內(nèi)，利用三角波的兩個峰值點(diǎn)對應(yīng)的正弦函數(shù)值，求取的脈沖對=角波的峰值點(diǎn)不對稱。高頻率信號輸出時，要求控制器處理速度及時，不對稱規(guī)則采樣和自然采樣算法的編程較為復(fù)雜，不利于高頻率信號調(diào)制，因此本文選擇對稱規(guī)則采樣算法。
圖l為對稱規(guī)則采樣sPwM波生成原理圖，圖中Us是三角載波峰值，Tc是三角載波周期，t1為采樣時刻，由圖可推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型：
根據(jù)三角形相似關(guān)系，則有：
將式(2)代入式(1)可得：
因此，生成的SPWM波的脈寬為
將三角波頻率fc與正弦波頻率fr之比即載波比Ⅳ變換得
式中，K為采樣序號。則
將式(7)代入式(4)可得：
三相正弦電壓彼此相位差相差120o，要生成三相SPWM就是使用3個彼此相位差為120o正弦波與同一個三角載波相比較求其交點(diǎn)。由單相SPWM波的數(shù)學(xué)模型即可得出結(jié)論：
2高頻SPWM波形的實(shí)現(xiàn)
2 .1高頻SPWM波形的實(shí)現(xiàn)
利用DSP事件管理器模塊(EVA或EvB)的三個比較單元、通用定時器、死區(qū)發(fā)生單元及輸出邏輯來生成三相六路sPwM波形。通過設(shè)置定時器1的周期寄存器TlPR，就可使其產(chǎn)生一定
周期的載波信號。可將定時器l設(shè)置為連續(xù)增／減模式，在此模式下，定時器l計(jì)數(shù)器(T1cNT)
從O開始遞增至周期寄存器(TlPR)的值后又遞減到0，如此循環(huán)反復(fù)；在定時器1不斷計(jì)數(shù)的同
時，比較單元的比較邏輯也在不斷地將定時器1的計(jì)數(shù)值和比較寄存器的值fcMP-Rx，x=1，2，
3)進(jìn)行比較，當(dāng)兩個值相等時將發(fā)生比較匹配信號。該信號被送到PWM電路中的波形發(fā)生器，
由它產(chǎn)生一路PwM脈沖信號，再經(jīng)過死區(qū)單元產(chǎn)生變頻器開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖信號。
程序中首先要對DSP各功能模塊進(jìn)行配置及初始化，主要包括：系統(tǒng)初始化、中斷控制初
始化、中斷向量表初始化、事件管理器初始化、串行通訊初始化等等。本文主要說明一下對于事
件管理器的配置與初始化，它包括：
(1)將GPIOAO—GPIOA5(PwMl一PWM6)配置為基本功能方式；
(2)將GPIOA0一(3PI()A5(PwMl一PwM6)配置為輸出，且高有效；
(3)計(jì)數(shù)器1采用連續(xù)增／減計(jì)數(shù)模式，輸入時鐘預(yù)定標(biāo)系數(shù)x／64(防止計(jì)數(shù)器周期值溢出)，
使用內(nèi)部cPu時鐘；
(4)使能定時器1下溢中斷，定時PWM死區(qū)時間為2 μs：
(5)初始化定時器1為O，初始化周期寄存器值為初始載波頻率2 kHz所對應(yīng)的計(jì)數(shù)值：
(6)初始化比較寄存器值為0xofFF；
(7)使能定時器l和比較單元。
2 2分段調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
由于高速電機(jī)控制系統(tǒng)的信號頻率范圍較大，因此單純的采用異步調(diào)制或同步調(diào)制都達(dá)不到理想的控制效果，而分段式的脈寬調(diào)制技術(shù)把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個頻段，在低頻段采用異步調(diào)制，在頻率達(dá)到一定值后改換成分段同步調(diào)制且每個頻段內(nèi)都保持載波比N為恒定，不同頻段的載波比不同。在輸出頻率高的頻段采用較低的載波比，以使載波頻率不致過高，限制在功率開關(guān)器件允許的范圍內(nèi)。在輸出頻率低的頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不致過低而對負(fù)載產(chǎn)生不利影響。各頻段載波比取3的整數(shù)倍且為奇數(shù)為宜。
本設(shè)計(jì)中調(diào)制波輸出頻率范圍為O～1200 Hz，各頻段的載波比N如圖2所示。
2 3程序流程
高頻sPwM波形產(chǎn)生程序主要由主程序、定時器
Tl下溢中斷子程序、分段調(diào)制子程序組成。主程序任務(wù)重要是：配置和初始化系統(tǒng)，中斷控制等相關(guān)功能；由負(fù)載的u／f曲線確定當(dāng)前調(diào)制度M值。定時器T1下溢中斷子程序主要完成三個比較寄存器(cMPRl、cMpr2、cMPR3)的計(jì)算、賦值，來調(diào)節(jié)輸出PwM波形的占空比。在Tl下溢中斷子程序中，對于三相正弦函數(shù)，可利用I)SP2812固化在內(nèi)部Boot ROM中的正弦函數(shù)表，在程序中以IQmath函數(shù)形式直接求值計(jì)算。分段調(diào)制子程序主要完成在輸出頻率發(fā)生改變時判斷此頻率所屬調(diào)制分段并根據(jù)不同段區(qū)多對應(yīng)的計(jì)算方法實(shí)時計(jì)算定時器Tl下溢中斷子程序中的sPWM波形生成相關(guān)參數(shù)。其程序流程圖如圖3所示。
3實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
本文采用ccs3 .3集成開發(fā)環(huán)境編譯所有程序，程序編譯無誤后生成0uT文件，通過仿真器將程序裝載到DsP中。本文采用合眾達(dá)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)板sEED—I)SK2812 v1. 3進(jìn)行試驗(yàn)。通過示波器觀測高頻SPWM波形結(jié)果如下：
圖4～圖6中波形清晰，完整，穩(wěn)定，幅值、相位、頻率、載波比正確，有效驗(yàn)證了編程設(shè)計(jì)思想。
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