基于TMS320F28335的單極性SPWM的實(shí)現(xiàn)

李 帆，薛士龍，耿 攀，蔣 晨

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海201306）

0 引 言

逆變器作為DC－AC裝置有著廣泛的用途，它可用于各類交通工具，如汽車、各類艦船以及飛行器。在太陽能及風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域，逆變器是將這些能源變成電能的關(guān)鍵設(shè)備。SPWM（正弦脈寬調(diào)制）技術(shù)是逆變器核心技術(shù)之一，按驅(qū)動(dòng)方式可以分為雙極性和單極性SPWM。

隨著數(shù)字控制技術(shù)的高速發(fā)展，高性能的DSP芯片已經(jīng)成為逆變器的主流控制器。TMS320F28335是美國TI公司推出的面向工業(yè)控制的32位浮點(diǎn)DSP。本文采用Ti公司最新推出的TMS320F28335DSP芯片，完成了單極性SPWM實(shí)現(xiàn)，并在逆變器上驗(yàn)證了程序的可靠性。

1 TMS320F28335的EPWM模塊

TMS320F28335內(nèi)置6路加強(qiáng)型正弦脈寬調(diào)制（EPWM）模塊，該模塊包含時(shí)間基準(zhǔn)、計(jì)數(shù)比較、動(dòng)作限定、死區(qū)控制、PWM斬波、錯(cuò)誤控制、事件觸發(fā)等7個(gè)子模塊，通過配置不同子模塊內(nèi)部的寄存器控制SPWM波形輸出［1］。并且它是一款浮點(diǎn)型DSP，可直接參與浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的運(yùn)算，在編程時(shí)無需加入IQmath算法就可以實(shí)現(xiàn)SPWM波的生成。與其他芯片相比，F(xiàn)28335的EPWM 模塊功能更加完善，每路（EPWMxA和EPWMxB）可生成相互獨(dú)立的控制脈沖，均可以獨(dú)立編程。

在ePWM模塊中有一個(gè)動(dòng)作限定子模塊（AQC），它在波形產(chǎn)生中起到重要作用，它決定輸出波形的高低電平，從而使ePWMxA和ePWMxB輸出所需要的開關(guān)波形。動(dòng)作限定子模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

（1）基于以下事件限制并產(chǎn)生相應(yīng)操作

時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器等于周期（TBCTR＝TBPRD）；

時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器等于0（TBCTR＝0x0000）；

時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器等于有效計(jì)數(shù)比較寄存器A值（TBCTR＝CMPA）；

時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器等于有效計(jì)數(shù)比較寄存器B值（TBCTR＝CMPB）。

（2）當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，管理產(chǎn)生事件的極性（如圖1）

與其他系列的DSP芯片相比（比如TMS320F2812），F(xiàn)28335的ePWM模塊中的死區(qū)模塊具有易于配置、可操作性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)［2］。死區(qū)模塊主要有以下功能：

a.每一路ePWMxA／B輸入信號經(jīng)過死區(qū)模塊后都可以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膸в兴绤^(qū)的匹配信號ePWMxA和ePWMxB。

圖1 EPWMxA／B以CMPA為事件基準(zhǔn)的輸出波形

b.死區(qū)模塊可以設(shè)計(jì)匹配信號的屬性。匹配信號有高有效、低有效、高有效補(bǔ)償和低有效補(bǔ)償四種。

c.可以分別設(shè)置死區(qū)的上升沿延遲和下降沿延遲。

通過設(shè)置死區(qū)的輸入＼輸出模式和極性模式，可以產(chǎn)生多個(gè)組合方式，但是并不是所有的組合都是典型的應(yīng)用模式。典型的死區(qū)設(shè)置如圖2所示。

圖2 典型死區(qū)模式的波形

2 基于TMS320F28335的單極性調(diào)制方式的設(shè)計(jì)

2.1 單極性調(diào)制方式

單相全橋逆變電路的拓?fù)淙鐖D3所示，全橋逆變器的控制方式一般可分為雙極性和單極性兩種。與前者比較，后者具有損耗低、電磁干擾小、開關(guān)諧波小等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［3］中介紹了在工程實(shí)踐中，單極性逆變橋路的四種驅(qū)動(dòng)方式，并將其歸納為單臂斬波驅(qū)動(dòng)和雙臂斬波驅(qū)動(dòng)兩大類，每一類還可分為不帶同臂互補(bǔ)和帶同臂互補(bǔ)。

圖3 單相全橋逆變拓?fù)?/p>

單臂斬波驅(qū)動(dòng)是指在每個(gè)周期內(nèi)，只有一個(gè)橋臂的開關(guān)管高頻工作，另一橋臂工作在工頻。單臂斬波驅(qū)動(dòng)工作方式如下：橋臂1的上下兩個(gè)開關(guān)管S1和S4在高頻工作；橋臂2的上下開關(guān)管S2和S3在工頻工作。在調(diào)制波的正半周期，S3常閉，S1高頻工作；在調(diào)制波的負(fù)半周期，S2常閉，S4高頻調(diào)制。

連續(xù)作業(yè)樁支護(hù)也可以稱為地下連續(xù)墻技術(shù)，該支護(hù)手段成本投入較大，所以僅適用于規(guī)模較大的工程類型，一些中小型地下作業(yè)則應(yīng)用頻率較低。在開展地下連續(xù)作業(yè)之前，技術(shù)人員要針對周邊環(huán)境、地質(zhì)、氣候進(jìn)行大量勘查，確保周邊自然環(huán)境、人工建筑、生態(tài)氣候不會(huì)對工程建設(shè)造成不良影響，這個(gè)過程執(zhí)行時(shí)需要耗費(fèi)較長時(shí)間，而且對人力資源的綜合素質(zhì)與專業(yè)能力的要求相對較高。但是對于適用的工程來說，該技術(shù)可用效果良好，能有效阻擋地下水、砂石等問題對整體工程質(zhì)量造成的影響，未來發(fā)展過程中，技術(shù)人員可以針對其優(yōu)勢，開發(fā)新型建筑材料，在減少其成本投入的基礎(chǔ)上，拓寬其應(yīng)用范圍，保證為我國建筑行業(yè)提供更加全面的服務(wù)。

同臂互補(bǔ)是指在正半周期，橋臂1的下臂S4原本是常開的，同臂互補(bǔ)以后，受到同臂另一開關(guān)管S1的互補(bǔ)信號的控制；同樣，在負(fù)半周期，橋臂1的上臂S1原本是常開的，同臂互補(bǔ)后，受到同臂另一開關(guān)管S4的互補(bǔ)信號的控制。圖4為單臂斬波驅(qū)動(dòng)的時(shí)序圖。

圖4 單極性單臂斬波驅(qū)動(dòng)波形的時(shí)序圖

雙臂斬波驅(qū)動(dòng)是指在每個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)橋臂均有開關(guān)管高頻工作。雙臂斬波驅(qū)動(dòng)工作方式下：橋臂1的上開關(guān)管S1和橋臂2的上開關(guān)管S2高頻工作，下開關(guān)管S4和S3工作在工頻。在調(diào)制波的正半周期，S3常閉，S1高頻工作；在調(diào)制波的負(fù)半周期，S4常閉，S2高頻調(diào)制。它的同臂互補(bǔ)是指在正半周期，橋臂1的下臂S4原本是常開的，同臂互補(bǔ)以后，受到同臂另一開關(guān)管S1的互補(bǔ)信號的控制；同樣，在負(fù)半周期，橋臂2的下臂S3原本是常開的，同臂互補(bǔ)后，受到同臂另一開關(guān)管S2的互補(bǔ)信號的控制。圖5為雙臂斬波驅(qū)動(dòng)的時(shí)序圖。

圖5 單極性雙臂斬波驅(qū)動(dòng)波形的時(shí)序圖

綜上所述，不帶同臂互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)方式是上橋臂開通時(shí)，電流通過上橋臂開關(guān)管；關(guān)斷時(shí)，通過下橋臂二極管實(shí)現(xiàn)續(xù)流。加入同臂互補(bǔ)以后，即在上橋臂關(guān)斷以后，通過下橋臂的開關(guān)管實(shí)現(xiàn)續(xù)流。

2.2 程序設(shè)計(jì)

生成SPWM波的關(guān)鍵在于控制周期值（TBPRD）及占空比，按照正弦規(guī)律變化生成占空比脈沖序列。通過時(shí)間基準(zhǔn)子模塊為EPWM模塊提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，并通過設(shè)定計(jì)數(shù)周期和計(jì)數(shù)模式實(shí)現(xiàn)對三角載波信號的模擬。計(jì)數(shù)比較子模塊周期性，更新比較寄存器（CMPA，CMPB）數(shù)值，并通過動(dòng)作限定子模塊，在定時(shí)器計(jì)數(shù)產(chǎn)生比較中斷或周期中斷控制對應(yīng)引腳上的電平變化；當(dāng)比較寄存器的值按正弦規(guī)律變化時(shí)，即可輸出按正弦規(guī)律變化的脈寬信號。通過查表法，先將占空比的數(shù)字預(yù)先存于表中，通過中斷子程序調(diào)取正弦表，更改比較寄存器中的數(shù)據(jù)，獲取SPWM脈沖序列。

以同臂互補(bǔ)的雙臂斬波驅(qū)動(dòng)為例，EPWM1和EPWM2的時(shí)間基準(zhǔn)控制寄存器（TBCTL）選擇遞增遞減的計(jì)數(shù)模式，實(shí)現(xiàn)對三角波的模擬，那么載波周期為：

式中，TBCLK為時(shí)基時(shí)鐘，本文中TBCLK為150 MHz，TBPRD為3 750 s，那么載波頻率為20 kHz。為了使調(diào)制波頻率為50 Hz，正弦波中要包含400個(gè)點(diǎn)。

表1 EPWM模塊管腳的設(shè)置

負(fù)半周期比較寄存器值為：

式中，M為調(diào)制度；table為正弦表值。

整個(gè)程序由主程序和周期中斷程序組成。主程序用于DSP系統(tǒng)的初始化，中斷程序用于更新比較寄存器的值。圖6為周期中斷的流程圖。

圖6 周期中斷流程圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)文中的程序設(shè)計(jì)方法完成DSP程序的編寫，程序調(diào)試無誤后燒寫到DSP芯片中。圖7、8分別為仿真波形和實(shí)測DSP輸出的波形。從圖中可知，PWM波形的占空比是按正弦規(guī)律實(shí)時(shí)變化的，周期頻率為50 Hz，與程序設(shè)定一致。

圖7 Simulink仿真波形

圖8 DSP輸出波形

每一路EPWM模塊中的比較寄存器（CMPA、CMPB）的初始值都設(shè)為0，在中斷函數(shù)里正半周期比較寄存器值為：

用這套程序在逆變器系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，圖9為逆變器輸出波形，輸出為50 Hz正弦波，與程序設(shè)定的一致。

圖9 逆變器輸出波形

4 結(jié) 論

本文利用了DSP28335完成了單極性SPWM的實(shí)現(xiàn)，程序編程簡單、易于修改。在實(shí)驗(yàn)中，逆變器運(yùn)行良好，輸出的電壓頻率幅值誤差都在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方法的正確性。

［1］周雪松.基于TMS320F28335 DSP的三電平逆變器［J］.電子電子技術(shù)，2009，4：21－23.

［2］Texas Instruments.TMS320x28xx，28xxxEnhanced Pulse Width Modu－lator（ePWM）Modle［Z］.2007.

［3］潘文誠.單極性SPWM逆變橋驅(qū)動(dòng)方式研究［J］.浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，24（3）：201－204.

［4］毛惠豐，陳增祿.SPWM 數(shù)字化自然采樣法的理論及脈沖誤差分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（9）：131－136.

［5］PONGIANNAN R K，PARAMASIVAM S，YADAIAHN.Dynamically reconfigurable PWM controller for three－phase voltage－source inverters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26（6）：1790－1799.

［6］王 鑫.三相SPWM波在TMS320F28335中的實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（2）：176－178.