PWM調(diào)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

辛?xí)詫?，王曉?/p>

（沈陽工業(yè)大學(xué) 研究生學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

在電動機(jī)領(lǐng)域中，隨著高開關(guān)頻率的功率器件，如IGBT，MOSFET等的出現(xiàn)和對開關(guān)電源性能要求的不斷提高，其控制技術(shù)成為影響電源性能的主要因素。開關(guān)變換器普遍采用脈沖寬度調(diào)制 （PWM）實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。當(dāng)PWM波形用于電動機(jī)控制和運(yùn)動控制時，設(shè)計(jì)的PWM電路可以大大減少產(chǎn)生PWM波形的CPU開銷和減少用戶的參與工作量[1]。介紹了運(yùn)用比較單元和PWM電路產(chǎn)生PWM波形。仿真驗(yàn)證了這種方法的可行性與優(yōu)越性。這種方法使得在許多應(yīng)用場合中的開關(guān)和同步磁組電動機(jī)的控制變得非常的簡單容易，提高了輸出動作控制的靈活性。

1 PWM信號產(chǎn)生原理

要產(chǎn)生一個PWM信號，如圖1所示，需要有一個合適的定時器來重復(fù)產(chǎn)生一個與PWM周期相同的計(jì)數(shù)周期，一個比較寄存器保持著調(diào)制值，它不斷地與定時器計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行比較，當(dāng)兩個值匹配時，在相應(yīng)的輸出上就會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換（從低到高或從高到低）。當(dāng)兩個值之間的的二個匹配產(chǎn)生或一個定時器周期結(jié)束時，相應(yīng)的輸出會產(chǎn)生另一個轉(zhuǎn)換（從高到低或從低到高）。通過這種方法所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關(guān)時間就會與比較寄存器的值成比例。在沒個定時器周期中，這種過程都會出現(xiàn)，但每次比較寄存器中的調(diào)制值是不同的，這樣在相應(yīng)的輸出上就會產(chǎn)生一個PWM信號[2]。

圖1 PWM信號產(chǎn)生原理圖Fig.1 PWM signal generation principle diagram

2 PWM調(diào)制電路的設(shè)計(jì)

2.1 PWM調(diào)制電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PWM波形的輸出，由定時器本身和比較單元產(chǎn)生，定時器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其中主要包括：

1）一個可讀寫的16位增/減計(jì)數(shù)器的寄存器；

2）一個可讀寫的16位定時器比較寄存器（雙緩沖）T1CMPR；

3）一個可讀寫的16位定時器周期寄存器（雙緩沖）T1PR；

4）一個可讀寫的16位定時器控制寄存器T2CON；

5）用于內(nèi)部或外部時鐘輸入的可編程的預(yù)定標(biāo)器（Prescaler）；

6）一個定時器比較輸出引腳T1CMP；

7）輸出條件邏輯；

8）其他全局控制寄存器GPTCONA。

圖2 定時器功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The timer function structure

比較單元的原理框圖如圖3所示，其中主要包括：

1）3 個 16 位的比較寄存器（CMPR1，CMPR2，CMPR3）它們各帶一個相應(yīng)的映射寄存器，該寄存器可讀寫；

2）一16位的比較控制寄存器（COMCONA），該寄存器可讀寫；

3）一個16位的動作控制寄存器（ACTRA），該寄存器可讀寫。

4）6 個 PWM 輸出（PWMy，y=1，2，3，4，5，6）。

圖3 比較單元功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 More units function structure

2.2 PWM電路的工作原理

圖2圖3給出了PWM電路的基本原理框圖。給出了PWM信號產(chǎn)生的兩種方式，分別由定時器本身產(chǎn)生的PWM信號和由比較單元產(chǎn)生的PWM信號。

定時器都有一個相應(yīng)的比較寄存器T1CMPR和一個PWM輸出引腳T1PWM。定時器計(jì)數(shù)器的值連續(xù)地與相應(yīng)的比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)定時器計(jì)數(shù)器的值與比較寄存器的值相等時就產(chǎn)生比較匹配?？赏ㄟ^對他T1CON[1]置1來使能比較操作。如果比較已經(jīng)被使能，當(dāng)產(chǎn)生比較匹配時會產(chǎn)生以下情況：

1）定時器的比較中斷寄存器標(biāo)志位在匹配后的一個CPU時鐘周期被置位。

2）在匹配后的一個CPU時鐘周期后，根據(jù)GPTCONA寄存器相應(yīng)位的配置情況，相應(yīng)的PWM輸出將發(fā)生跳變。

3）如果比較中斷標(biāo)志位被相應(yīng)的GPTCONA位選擇用于啟動ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換），則當(dāng)比較中斷標(biāo)志位被置位的同時，也會產(chǎn)生ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）的啟動信號。

如果比較中斷沒有被屏蔽，則比較中斷標(biāo)志位會產(chǎn)生一個外設(shè)中斷請求。

比較單元的定時器計(jì)數(shù)器連續(xù)與比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)一個匹配產(chǎn)生時，比較單元的兩個輸出按照動作控制寄存器（ACTRA）中的位進(jìn)行跳變。ACTRA寄存器中的位可以分別指定在比較匹配時每個輸出為高有效或低有效切換（如果沒有強(qiáng)制高或低）。當(dāng)定時器和比較寄存器之間產(chǎn)生一個匹配并且比較被使能時，與比較單元相對應(yīng)的比較中斷寄存器將被置位。如果中斷沒有被屏蔽，則產(chǎn)生外設(shè)中斷請求信號。輸出跳變的時序、中斷標(biāo)志位的設(shè)置和中斷請求的產(chǎn)生都與定時器的比較操作有關(guān)[3]。

2.3 PWM電路的設(shè)計(jì)

PWM電路也就是脈寬調(diào)制電路，是PWM信號產(chǎn)生的主要部分，其主要包括非對稱/對稱波形發(fā)生器、可編程的死區(qū)單元、輸出邏輯、空間向量PWM狀態(tài)機(jī)4個部分[4]。它的功能框圖如圖4所示。

圖4 PWM電路功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 PWM circuit function structure

波形發(fā)生器的特征如下：

1）用于與比較單元相對應(yīng)的PWM輸出對的可編程死區(qū)單元；

2）最小的死區(qū)寬度為一個CPU時鐘周期；

3）一個CPU時鐘周期的PWM脈寬或脈寬增/減量；

4）16位的最大PWM分辨率；

5）功率驅(qū)動保護(hù)中斷；

6）可編程的對稱/非對稱PWM以及空間向量PWM波形；

7）自動重裝載的比較和周期寄存器使CPU得負(fù)擔(dān)最小；

8）PWM的裝載頻率的快速變化；

9）PWM的脈寬的快速變化。

死區(qū)單元：在許多運(yùn)動/電動機(jī)控制和功率電子應(yīng)用場合中，2個功率器件（上級和下級）被串聯(lián)放在一個功率轉(zhuǎn)換支路中，為了避免擊穿失效，2個器件的打開周期必須不能重疊，這樣就經(jīng)常需要一對非重疊的PWM輸出來正確地開關(guān)這兩個器件。在一個三極管的關(guān)斷和另一個三極管導(dǎo)通之間經(jīng)常要插入一段死區(qū)，這段時間延遲允許一個三極管在別的三極管導(dǎo)通之前完全關(guān)斷，這個所需的時間延遲由功率三極管的開關(guān)特性和特定應(yīng)用的負(fù)載特性來決定。

2.4 PWM產(chǎn)生的寄存器設(shè)置

用定時器本身產(chǎn)生PWM波形和由比較單元和相應(yīng)的電路所產(chǎn)生的PWM波形均需要對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置，其中第一種用定時器需對寄存器的設(shè)置為：

1）根據(jù)預(yù)定的PWM（載波）周期設(shè)置T1PR；

2）設(shè)置T1CON寄存器以確定計(jì)數(shù)模式和時鐘源，并啟動PWM輸出操作；

3）將對應(yīng)于PWM脈沖的在線計(jì)算寬度（占空比）的值加載到T1CMPR寄存器中。第二種由比較單元產(chǎn)生PWM波形需對寄存器的設(shè)置為：1）設(shè)置和裝載ACTRA寄存器，該寄存器地址為7513；2）設(shè)置和裝載DBTCONA寄存器，該寄存器地址為7515；3）初始化 CMPRx，x=1，2，3 寄存器，寄存器地址為7517，7518，7519。

2.5 PWM信號產(chǎn)生形式

PWM信號根據(jù)定時器工作模式的不同將產(chǎn)生兩種波形，對稱波形和非對稱波形。對稱波形的產(chǎn)生，如圖5所示。

圖5 對稱PWM波形的產(chǎn)生Fig.5 Symmetrical PWM waveform generation

首先通用定時器工作在連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式時，波形發(fā)生器的輸出狀態(tài)由以下情況決定，計(jì)數(shù)操作開始時為0，第一次比較匹配之前保持不變，第一次比較匹配時切換狀態(tài)，第二次比較匹配之前保持不變，第二次比較匹配時切換狀態(tài)，周期結(jié)束前保持不變，如果沒有第二次比較匹配，并且下一周期的新的比較值不為0，那么在周期結(jié)束后復(fù)位為0。

圖6 非對稱PWM波形的產(chǎn)生Fig.6 Asymmetric PWM waveform generation

首先通用定時器工作在連續(xù)增計(jì)數(shù)模式時，波形發(fā)生器的輸出狀態(tài)由以下情況決定，計(jì)數(shù)操作開始時為0，第一次比較匹配之前保持不變，第一次比較匹配時切換狀態(tài)，周期結(jié)束前保持不變，如果在下一周期的新的比較值不為0，那么在周期結(jié)束后復(fù)位為0[5]。

3 PWM調(diào)制電路的仿真實(shí)現(xiàn)

該設(shè)計(jì)的仿真使用Mentor公司的ModelSim軟件，該軟件可在Windows，Linux平臺上使用，支持VHDL或Verilog硬件描述語言（HDL）仿真。它支持所有器件的行為級仿真、VHDL或Verilog仿真激勵。為了測試設(shè)計(jì)的正確性，編寫了testbench模塊 ，控制寄存器的配置，收發(fā)的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的中斷等[6]。

3.1 PWM對稱波形的仿真驗(yàn)證

當(dāng)定時器工作在連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式時，產(chǎn)生對稱的PWM波形，如圖7所示。

圖7 對稱PWM波形Fig.7 Symmetric PWM waveform

3.2 PWM非對稱波形的仿真驗(yàn)證

當(dāng)定時器工作在連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式時，產(chǎn)生對稱的PWM波形，如圖8所示。

圖8 非對稱PWM波形Fig.8 Asymmetric PWM waveform

對實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形進(jìn)行比較分析可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是正確的 將生成的PWM波通過逆變器驅(qū)動異步電機(jī)，其運(yùn)行性能良好，實(shí)現(xiàn)了對異步電機(jī)的實(shí)時數(shù)字化控制。

4 結(jié)束語

文中介紹了PWM波形的原理與實(shí)現(xiàn)方法，通過仿真與硬件實(shí)驗(yàn)研究了PWM以TMS320F2407為控制核心的DSP技術(shù)，對研究和開發(fā)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有重要意思，在電動機(jī)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。

[1]王曉明，王鈴.電動機(jī)DSP控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]謝寶昌，任永德.電機(jī)的DSP控制技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

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