基于DSP的SPWM不对称规则采样算法的分析与实现

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                    　　摘要：本文以高性能数字信号处理芯片TMS320F2812为核心,设计生成了基于不对称规则采样算法的SPWM波形,键盘输入参数设定调制波频率。本文首先分析了不对称规则算法的原理,接着设计了基于TMS320F2812芯片的软件设计流程,最后在数字示波器上显示了实验波形,验证了设计的有效性和可行性。
　　1 引言
　　在三相逆变器中，SPWM(Sinusoidal Pulse Width ModulaTIon)技术是最为先进的控制算法之一,SPWM 波用于控制逆变器功率器件的开关时刻。SPWM 技术最初是用模拟电路构成三角波和正弦波发生电路,接着用比较器来确定他们的交点,这种实现方法电路复杂,精度较差。后来人们采用单片机来实现,但由于单片机在硬件计算速度和算法计算量方面的局限,往往无法兼顾计算的精度和速度。由于DSP 具有强大的运算能力,能够完全兼顾控制的精度和速度,越来越多的应用选择使用DSP。用DSP 产生多相正弦波有多种方法，如采用D/A 转换器，使用DSP 外接D/A 转换器可以输出频率较高的正弦波，但是这种方法浪费硬件资源，因为需要几相正弦波就需要几个D/A 转换器，而且在每次计算每个D/A 采样点的正弦值时都需要占用CPU,不利于系统整体性能的提高。TMS320F2812 是TI 公司推出的用于工业控制的新型32 位定点DSP，最高主频150MHz，拥有丰富的外设，利用其内部硬件电路---事件管理器模块中的全比较单元，采用SPWM 算法，可以非常方便的产生高精度的、实时性强、可在线调节、带死区控制的三相正弦SPWM 波形，从而实现三相逆变器的SPWM 控制[2]。
　　2. SPWM 算法原理[3]
　　PWM 技术利用全控型器件的导通和关断把电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并且消除谐波,而SPWM 算法是以获得正弦电压输出为目标的一种脉宽调制技术。 为了得到正弦波，需要输出一组连续的幅值相等而宽度不相等的矩形波，实现过程为：正弦调制波与三角载波相交，交点产生控制功率开关器件的信号，经相应驱动电路来控制功率开关器件的通断，从而得到一系列等幅而且脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲，即SPWM 波形。
　　用软件方式实现SPWM 的算法包括：自然采样法，规则采样法（对称规则采样法，不对称规则采样法）。自然采样法在计算SPWM 波的脉宽时要解超越方程，不适合用于实时控制。在实际控制应用中，为减少谐波分量，多采用不对称规则采样法（如图1 所示）。实践证明，不对称规则采样法所形成的阶梯波比对称规则采样法更接近于正弦波，特别是当载波比N=3或3 的倍数时，前者的输出电压中不存在偶次谐波分量，其它高次谐振波分量的幅值也较小,并且当逐渐增大调制率，使脉宽调制向输出方波过渡时，采用不对称规则采样，不会像自然采样那样产生基波幅值跳跃的现象。所谓不对称规则采样法，是指既在三角波的顶点位置又在底点位置对正弦波进行采样，此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个三角波的周期内的位置是不对称的，如图1 所示。在这里，采样周期Ts 是三角波周期Tt 的1/2，即Ts=Tt/2。








　　k1 为偶数时是顶点采样，k2 为奇数时是底点采样。而非对称规则采样法在一个载波周期里采样两次正弦波数值，该采样值更真实地反映了实际的正弦波数值。这是单相SPWM 波形生成的数学模型，三相正弦电压彼此相位差2π / 3 ,要用三条相位相差2π / 3的正弦调制波与同一三角形载波来生成三相SPWM 波形，可以推得以下公式：







　　4.DSP 软件设计
　　整个程序分为主程序和中断子程序两大部分。主程序任务是：初始化启动系统后，扫描键盘输入，更新调制波频率fm，根据调制波频率fm计算载波比N 和定时器T1 周期寄存器的值,由负载压频U/f 曲线计算调制比M，并将N 值，M 值等信息显示液晶显示屏上；除主程序外一共开放了三个中断，分别是：
　　①定时器T1 中断子程序：完成三个比较寄存器（CMPRx ,x=1、2、3）的计算、赋值，用于更新PWM1"PWM6 的占空比。②定时器T2 周期中断，用于扫描按键，更新调制波频率fm。
　　③PDPA 中断，用于保护功率模块，一旦PDPA 脚为低便封锁PWM1"PWM6。主程序流程图与中断子程序流程是程序的主要组成部分，详细见图（3）、图（4）。