基于TMS320F28335的单极性SPWM的实现

基于TMS320F28335的单极性SPWM的实现
李帆;薛士龙;耿攀;蒋晨
【摘要】文中介绍了应用高性能数字信号处理器(DSP)TMS320F28335输出正弦波的原理和方法,其中详细介绍了借助28335内部的正弦脉宽调制(EPWM)模块输出单臂/双臂斩波、带/不带同臂互补的四种驱动信号的方法,最后搭建实验平台对理论分析和仿真结果进行验证,实验结果表明利用该控制器的逆变系统可以输出满足工程需要的50 Hz正弦波.
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2014(031)002
【总页数】4页(P1-3,15)
【关键词】DSP;TMS320F28335;单极性SPWM
【作者】李帆;薛士龙;耿攀;蒋晨
【作者单位】上海海事大学物流工程学院,上海201306;上海海事大学物流工程学院,上海201306;上海海事大学物流工程学院,上海201306;上海海事大学物流工程学院,上海201306
【正文语种】中文
【中图分类】TM464
0 引言
逆变器作为DC－AC装置有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各
类舰船以及飞行器。

在太阳能及风能发电领域，逆变器是将这些能源变成电能的关键设备。

SPWM（正弦脉宽调制）技术是逆变器核心技术之一，按驱动方式可以
分为双极性和单极性SPWM。

随着数字控制技术的高速发展，高性能的DSP芯片已经成为逆变器的主流控制器。

TMS320F28335是美国TI公司推出的面向工业控制的32位浮点DSP。

本文采用Ti公司最新推出的TMS320F28335DSP芯片，完成了单极性SPWM实现，并在逆变器上验证了程序的可靠性。

1 TMS320F28335的EPWM模块
TMS320F28335内置6路加强型正弦脉宽调制（EPWM）模块，该模块包含时间基准、计数比较、动作限定、死区控制、PWM斩波、错误控制、事件触发等7个子模块，通过配置不同子模块内部的寄存器控制SPWM波形输出［1］。

并且它
是一款浮点型DSP，可直接参与浮点型数据的运算，在编程时无需加入IQmath
算法就可以实现SPWM波的生成。

与其他芯片相比，F28335的EPWM 模块功
能更加完善，每路（EPWMxA和EPWMxB）可生成相互独立的控制脉冲，均可
以独立编程。

在ePWM模块中有一个动作限定子模块（AQC），它在波形产生中起到重要作用，它决定输出波形的高低电平，从而使ePWMxA和ePWMxB输出所需要的开关波形。

动作限定子模块主要实现的功能有：
（1）基于以下事件限制并产生相应操作
时间基准计数器等于周期（TBCTR＝TBPRD）；
时间基准计数器等于0（TBCTR＝0x0000）；
时间基准计数器等于有效计数比较寄存器A值（TBCTR＝CMPA）；
时间基准计数器等于有效计数比较寄存器B值（TBCTR＝CMPB）。

（2）当事件发生时，管理产生事件的极性（如图1）
与其他系列的DSP芯片相比（比如TMS320F2812），F28335的ePWM模块中的死区模块具有易于配置、可操作性强等突出优点［2］。

死区模块主要有以下功能：
a.每一路ePWMxA／B输入信号经过死区模块后都可以产生适当的带有死区的匹
配信号ePWMxA和ePWMxB。

图1 EPWMxA／B以CMPA为事件基准的输出波形
b.死区模块可以设计匹配信号的属性。

匹配信号有高有效、低有效、高有效补偿和低有效补偿四种。

c.可以分别设置死区的上升沿延迟和下降沿延迟。

通过设置死区的输入＼输出模式和极性模式，可以产生多个组合方式，但是并不是所有的组合都是典型的应用模式。

典型的死区设置如图2所示。

图2 典型死区模式的波形
2 基于TMS320F28335的单极性调制方式的设计
2.1 单极性调制方式
单相全桥逆变电路的拓扑如图3所示，全桥逆变器的控制方式一般可分为双极性
和单极性两种。

与前者比较，后者具有损耗低、电磁干扰小、开关谐波小等优点。

文献［3］中介绍了在工程实践中，单极性逆变桥路的四种驱动方式，并将其归纳为单臂斩波驱动和双臂斩波驱动两大类，每一类还可分为不带同臂互补和带同臂互补。

图3 单相全桥逆变拓扑
单臂斩波驱动是指在每个周期内，只有一个桥臂的开关管高频工作，另一桥臂工作在工频。

单臂斩波驱动工作方式如下：桥臂1的上下两个开关管S1和S4在高频
工作；桥臂2的上下开关管S2和S3在工频工作。

在调制波的正半周期，S3常闭，S1高频工作；在调制波的负半周期，S2常闭，S4高频调制。

同臂互补是指在正半周期，桥臂1的下臂S4原本是常开的，同臂互补以后，受到同臂另一开关管S1的互补信号的控制；同样，在负半周期，桥臂1的上臂S1原本是常开的，同臂互补后，受到同臂另一开关管S4的互补信号的控制。

图4为单臂斩波驱动的时序图。

图4 单极性单臂斩波驱动波形的时序图
双臂斩波驱动是指在每个周期内，两个桥臂均有开关管高频工作。

双臂斩波驱动工作方式下：桥臂1的上开关管S1和桥臂2的上开关管S2高频工作，下开关管S4和S3工作在工频。

在调制波的正半周期，S3常闭，S1高频工作；在调制波的负半周期，S4常闭，S2高频调制。

它的同臂互补是指在正半周期，桥臂1的下臂S4原本是常开的，同臂互补以后，受到同臂另一开关管S1的互补信号的控制；同样，在负半周期，桥臂2的下臂S3原本是常开的，同臂互补后，受到同臂另一开关管S2的互补信号的控制。

图5为双臂斩波驱动的时序图。

图5 单极性双臂斩波驱动波形的时序图
综上所述，不带同臂互补的驱动方式是上桥臂开通时，电流通过上桥臂开关管；关断时，通过下桥臂二极管实现续流。

加入同臂互补以后，即在上桥臂关断以后，通过下桥臂的开关管实现续流。

2.2 程序设计
生成SPWM波的关键在于控制周期值（TBPRD）及占空比，按照正弦规律变化生成占空比脉冲序列。

通过时间基准子模块为EPWM模块提供基准时钟，并通过设定计数周期和计数模式实现对三角载波信号的模拟。

计数比较子模块周期性，更新比较寄存器（CMPA，CMPB）数值，并通过动作限定子模块，在定时器计数产生比较中断或周期中断控制对应引脚上的电平变化；当比较寄存器的值按正弦规律变化时，即可输出按正弦规律变化的脉宽信号。

通过查表法，先将占空比的数字预先存于表中，通过中断子程序调取正弦表，更改比较寄存器中的数据，获取SPWM
脉冲序列。

以同臂互补的双臂斩波驱动为例，EPWM1和EPWM2的时间基准控制寄存器（TBCTL）选择递增递减的计数模式，实现对三角波的模拟，那么载波周期为：
式中，TBCLK为时基时钟，本文中TBCLK为150 MHz，TBPRD为3 750 s，那
么载波频率为20 kHz。

为了使调制波频率为50 Hz，正弦波中要包含400个点。

动作限定子模块（AQCTLA／B）都选择以比较寄存器A（CMPA）为事件限制，
当需要改变输出占空比的时候，只需改变比较寄存器A的值，就可以保证EPWMxA／B输出的脉宽占空比同时改变，这样方便编写程序，同时保证了每一
路输出是同步的。

当事件发生时，如果是递增计数时，设置输出（ePWMxA／B）为低电平，递减计数时输出为高电平。

为了确保同一桥臂上下两开关管不致发生直通故障，还需要设置死区，死区发生器控制寄存器（DBCTL）选择高有效补偿模式，以ePWMxA（x＝1，2）作为上升和下降沿延时的信号源。

由于选择了高有
效补偿模式，使得EPWMxB的电平发生了翻转，这样每一路输出就是互补的。

中断寄存器（ETSEL）设置产生中断的事件为时间基准计数器等于零（TBCTR＝
0x0000）。

管脚的设置如表1所示。

表1 EPWM模块管脚的设置逆变器开关 DSP 输出动作限定设置死区设置管脚1 ePWM1AEPWM1Regs.AQ CTLA＝0x0090 EPWM1Regs.DB CTL＝0x0B管脚4 ePWM1BEPWM1Regs.AQ CTLB＝0x0090管脚2 ePWM1AEPWM2Regs.AQ CTLA＝0x0090 EPWM2Regs.DB CTL＝0x0B管脚3 ePWM2BEPWM2Regs.AQ CTLB＝0x0090
负半周期比较寄存器值为：
式中，M为调制度；table为正弦表值。

整个程序由主程序和周期中断程序组成。

主程序用于DSP系统的初始化，中断程
序用于更新比较寄存器的值。

图6为周期中断的流程图。

图6 周期中断流程图
3 实验验证
根据文中的程序设计方法完成DSP程序的编写，程序调试无误后烧写到DSP芯片中。

图7、8分别为仿真波形和实测DSP输出的波形。

从图中可知，PWM波形的占空比是按正弦规律实时变化的，周期频率为50 Hz，与程序设定一致。

图7 Simulink仿真波形
图8 DSP输出波形
每一路EPWM模块中的比较寄存器（CMPA、CMPB）的初始值都设为0，在中
断函数里正半周期比较寄存器值为：
用这套程序在逆变器系统中进行验证，图9为逆变器输出波形，输出为50 Hz正
弦波，与程序设定的一致。

图9 逆变器输出波形
4 结论
本文利用了DSP28335完成了单极性SPWM的实现，程序编程简单、易于修改。

在实验中，逆变器运行良好，输出的电压频率幅值误差都在允许范围内，验证了本文设计方法的正确性。

【相关文献】
［1］周雪松.基于TMS320F28335 DSP的三电平逆变器［J］.电子电子技术，2009，4：21－23. ［2］Texas Instruments.TMS320x28xx，28xxxEnhanced Pulse Width Modu－lator（ePWM）
Modle［Z］.2007.
［3］潘文诚.单极性SPWM逆变桥驱动方式研究［J］.浙江科技学院学报，2012，24（3）：201－204.
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［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中的实现［J］.电子设计工程，2013，21（2）：176－178.。