基于DSP的新型SPWM采样方法

基于DSP的新型SPWM采样方法
陈明星;时斌;陈益果
【摘要】介绍利用数字信号处理器TMS320F2812产生SPWM波形的方法.分析比较了目前常用的几种SPWM采样方法.提出了一种新型的不对称规则采样法.与传统的不对称规则采样相比,此方法更加接近自然采样.同时,给出了用DSP实现的关键计算公式,并在硬件电路上实现,验证了该方法的可行性和有效性.%This paper presented some methods to generate SPWM based on digital signal processor TMS320F2812 chip and analyzed several typical SPWM sampling methods widely used at present. A new kind of asymmetric rules sampling method was presented which was compared with traditional asymmetric rules sampling. This new method sampling was closer than natural sampling. At the same time, the paper has presented the key calculation formula, implemented in hardware circuit and verified the feasibility and validity of this method.
【期刊名称】《电气自动化》
【年(卷),期】2011(033)005
【总页数】3页(P45-47)
【关键词】DSP;正弦脉宽调制;2812;逆变器;查表
【作者】陈明星;时斌;陈益果
【作者单位】东南大学电气工程学院,南京210096;东南大学电气工程学院,南京210096;东南大学电气工程学院,南京210096
【正文语种】中文
【中图分类】TM464
0 引言
目前，SPWM(Sinusoidal PWM)技术在逆变电路中得到了广泛的应用。

该技术最初来自控制理论中一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的
环节上时，其效果基本相同。

当脉冲的宽度按正弦规律变化就形成了SPWM波形［1］。

最初SPWM是用模拟电路产生三角波和正弦波，再将二者比较来实现，
这种实现方法电路比较复杂，精度也较差。

后来，随着集成电路的发展，人们采用单片机来实现，但由于单片机本身的局限，往往无法兼顾计算的精度和速度。

再后来，由于DSP具有很好的计算精度和实时处理能力，越来越受到人们的青睐。

本
文介绍一种基于TI公司的TMS320F2812来实现SPWM的方法。

1 常见SPWM算法原理和产生方法
1.1 自然采样法
根据SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。

自然采样法是最基本的方法，所得到的SPWM波形最接近正弦波。

但这种方法要求求解复杂的超越方程，在采用微控制技术时需要花费大量的计算时间，耗费大量处理器资源，得不偿失，所以在工程上实际使用并不多。

1.2 规则采样法
规则采样法是一种应用较广的工程使用方法，其效果接近自然采样法，但计算量比自然采样法小得多。

规则采样法包括对称规则采样法和不对称规则采样法。

而对称规则采样法通常又有两种。

对称规则采样法Ⅰ:如图1所示，在三角波的正峰值时
刻对正弦波信号采样得C点，过C作水平直线和三角载波分别交于E、F两点，在E点时刻tE和F点时刻tF控制开关器件的通断。

但是如果E、F之间的时间间隔偏窄时会出现误差过大的现象。

规则采样法Ⅱ:如图2所示，在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D点作水平直线和三角波分别交于A、B两点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断。

不对称规则采样法的实现比对称规则采样法要复杂一些，采样点变多。

如图3所示:分别在三角波的负峰时刻和正峰时刻对正弦信号进行采样，把它们的交点水平延长与三角波相交，用它们的交点时刻来决定开关器件的通断。

分析表明，不对称规则采样所形成的阶梯波比对称规则采样时更接近于正弦波。

用不对称规则采样法在载波比N=3或3的倍数时，逆变器输出电压中不存在偶次谐波分量，其他高次谐波分量的幅值也较小［3］。

图3 不对称规则采样法［3］
2 交点式不对称规则SPWM采样分析
为了改变逆变电路的各项技术指标，SPWM算法成为人们长期研究的课题。

到目前为止，人们已经提出了很多的采样方法，包括直接面积等效法［4］、线性外推法［5］、峰值型采样方法［6］、四点式不对称规则采样方法［7］等。

各种方法的目的都是为了使采样的波形更好的接近自然采样法，最大程度的逼近正弦波。

2.1 交点式不对称SPWM采样基本原理
为了改善规则采样法，使采样点更接近于自然采样法交点，提出交点式不对称规则SPWM采样方法。

交点采样法的基本原理是:在每一个三角载波的波峰和波谷处分别采样，然后将相邻两个采样点连接起来，则连线必定与三角载波相交于一点，用此点来决定开关器件的通断，以形成SPWM波形。

如图4所示:分别在三角波的两个波峰时刻和一个波谷时刻采样，与载波相交于A、B、C 三点，与时间轴相交
于 A0、B0、C0三点，假设 A0点为 tA时刻、B0点为tB时刻、C0点为tC时刻，正弦波段AB与三角波相交于E'点、BC与三角波相交于F'点，直线AB与三角波
相交于E点、直线BC和三角波相交于F点，容易得知，E'F'即为自然采样法的开
关时刻，EF为交点采样法的通断时刻，由图可以看出E'F'和EF非常接近。

由图3和图4对比容易看出，交点法比不对称规则采样法更加接近自然采样，而且不需
要求解超越方程，易于数字化实现。

此方法比四点采样法少了一半的采样时刻(四
点采样法不仅要在波峰和波谷处采样，还要在三角波和时间轴的交点处采样)，为DSP节省了资源，提高了效率。

图4 交点法不对称规则采样
2.2 开关通断时刻的求解
假设三角波的峰值为 uc，调制波为ursinωt，调制度 m=ur/uc，由图4几何相似关系可以得出
3 DSP实现方法和步骤
TMS320F2812有两个相同的事件管理器EVA和EVB，他们具有相同功能的定时器、比较单元、捕获单元，只是命名不同而已。

他们的脉冲宽度调制电路共有3
个全比较单元，每个单元都能输出两个带有可编程死区和极性相反的PWM信号，正好可以满足三相逆变器的需要。

对于单项逆变器，只需要使用其中的4路信号(另外的两路信号可以屏蔽掉)。

在控制领域中，PWM电路极大地减小了产生PWM波形的CPU开销，也简化了部分外部硬件电路。

设置通用定时器(GPT1)工作在连续增/减计数模式，用来产生模拟的三角载波，在定时器1计数的过程中，其值会不断与比较寄存器CMPRx的值进行比较，当计
数值与比较寄存器的值相等时，则产生比较匹配，对应的PWM输出引脚发生电
平翻转。

在这种工作模式下，一个周期有两次电平翻转。

比较寄存器的值对应脉冲
宽度值，实时地改变该比较值，就可以产生占空比不同的PWM脉冲。

如果比较值按正弦规律变化，就可以产生出SPWM波形。

根据本文提出的方法，需要设置EVA模块相应的寄存器值，主要寄存器设置如下:
4 软件设计思想
上文已经讲述了DSP工作原理和主要寄存器的设计，由于程序中用到了中断服务子程序，所以，一般在主程序中需要设置标志位flag，通过flag的值来判断脉冲是否产生。

如果该标志位已置1，则表明已完成，调用占空比计算子程序重新计算占空比之后，清除该位，并等待定时器1周期中断。

在周期中断服务子程序中将计算所得的比较寄存器的值送入寄存器CMPR1，并且对相应的标志位置1，然后返回主程序。

为了节省DSP的硬件资源，提高计算速度，需要预先存储一个已算好正弦表sin［200］，需要计算某点的正弦值时，直接从表中取出。

中断服务关键程序:
值得注意的是由于正弦表只有200个数值(sin［0］～sin［199］)，当 i=100 的时候，sin［200］不能表示出来。

所以，当 i=100时，此公式要改变一下，把sin［200］用sin［0］来代替。

系统程序流程图如图5和图6所示。

5 实验结果与所得结论
图7所示为DSP2812的实测SPWM脉冲输出波形，图8所示为实测SPWM输出波形经过RC滤波后的波形。

图9是把上述两种波形在一副图中表示出来，由于频率为10 KHz，所以，滤波前的SPWM波形看起来是连续的一片。

本设计中三角载波频率为10 KHz，滤波后输出正弦波，频率为电网频率50 Hz，此方法可用于单相光伏并网逆变器电路上。

由上面的介绍及实验结果可看出，本文所采用的设计方法不需要额外增加硬件;电路结构比较简单;成本低廉;代码量也比较少，产生的正弦波令人满意。

用交点式不对称规则采样，其采样误差小于规则采样法，比规则采样更接近于自然采样法，故生成的SPWM波形更逼近正弦波(如图8所示)，因此谐波会得到进一步的抑制。

利用这种方式，在并网逆变应用中控制开关管的导通和关断，可减少输出电流和电压波形的谐波含量，减少对电网的污染，提高电压的利用效率。

其计算工作量不大，不会占用DSP多少硬件资源和影响实时计算速度。

此外，有时可以根据情况，把计算好的ton值存储在正弦表中，在每个三角载波周期进行一次取值，省去了大量的计算，同时也缩短了DSP控制的延时时间，提高了控制系统的实时性能。

理论和实验波形均表明，使用交点型采样算法是可行的。

参考文献
图9 SPWM及RC滤波波形［8］
［1］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2007:150-151. ［2］吴莹，陈延明，沈祺钢，等.基于DSP的SPWM波形设计与实现［J］.微计算机信息2008，24(11-2):187-189.
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