三相正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）信號(hào)發(fā)生器SM2001

摘要：介紹一種可自動(dòng)產(chǎn)生三相正弦波脈寬調(diào)制波形的專用芯片的結(jié)構(gòu)、原理及使用方法。它可廣泛用于三相電機(jī)的變頻控制，三相UPS的驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：正弦波脈寬調(diào)制；接口；變頻；控制

圖1SM2001外形與管腳

圖2SM2001內(nèi)部邏輯框圖

1引言

SM2001是可產(chǎn)生三相SPWM驅(qū)動(dòng)波形的大規(guī)模集成電路。它的工作頻率寬，合成正弦諧波小，調(diào)節(jié)方便、準(zhǔn)確，保護(hù)電路完善，無(wú)需外部元器件，且有普通正弦波和高效電機(jī)驅(qū)動(dòng)波兩種波形的選擇，可廣泛用于交流異步電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)，如變頻空調(diào)、變頻冰箱和變頻洗衣機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)，各類工業(yè)水泵、風(fēng)機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)，各類不間斷電源（UPS）以及其它一些需要三相SPWM波形驅(qū)動(dòng)的功率控制電路中。

2SM2001結(jié)構(gòu)與邏輯框圖

SM2001采用0.6μmCMOS工藝制造。電路內(nèi)部集成有三線串行接口、雙波形正弦發(fā)生器、幅度因子乘法器、PWM波形發(fā)生器、死區(qū)時(shí)間和窄脈沖控制電路、啟動(dòng)電路和保護(hù)電路等。封裝采用DIP18塑封。

SM2001的外形圖如圖1所示。其管腳說(shuō)明如表1所列。其內(nèi)部邏輯框圖如圖2所示。

3SM2001的設(shè)計(jì)特點(diǎn) SM2001設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

1）全數(shù)字化設(shè)計(jì)，全數(shù)字化電路。

2）內(nèi)部帶兩套波形發(fā)生器，可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波和用于交流電機(jī)控制的高效準(zhǔn)正弦波。

3）自動(dòng)產(chǎn)生三相PWM調(diào)制波形，范圍從0到200Hz（時(shí)鐘為20MHz時(shí)），步進(jìn)頻率為最大頻率的1/255。

三相正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）信號(hào)發(fā)生器SM2001

表1管腳說(shuō)明管腳名稱類型功能說(shuō)明
1CLKI外部時(shí)鐘輸入腳
2RSTI復(fù)位腳，為低時(shí)復(fù)位芯片
3CSI串口片選腳，低通訊有效
4CKI串口時(shí)鐘腳，上升沿鎖入數(shù)據(jù)
5DAI串口數(shù)據(jù)腳
6OEI輸出控制腳，為高允許PWM輸出
7INTI異常中斷腳，下降沿觸發(fā)
8WVSI內(nèi)部波形選擇，高效/普通
9GNDI數(shù)字地
10GNDI輸出地
11WBIW相下橋臂驅(qū)動(dòng)腳
12VBOV相下橋臂驅(qū)動(dòng)腳
13UBOU相下橋臂驅(qū)動(dòng)腳
14WTOW相上橋臂驅(qū)動(dòng)腳
15VTOV相上橋臂驅(qū)動(dòng)腳
16UTOU相上橋臂驅(qū)動(dòng)腳
17VDDI正電源（＋5V）
18VDDI正電源（＋5V）

4）采用雙邊沿規(guī)則采樣產(chǎn)生PWM調(diào)制波形。

5）載波頻率可多級(jí)選擇，最高可達(dá)到38kHz。

6）可選擇死區(qū)時(shí)間和窄脈沖時(shí)間，范圍從0.05μs～25.6μs。

7）采用高速三線同步串行接口，通訊速度可達(dá)到1MHz。

8）通過(guò)MCU進(jìn)行參數(shù)化控制，需要占用MCU的資源極小。

9）驅(qū)動(dòng)電流達(dá)20mA，可直接驅(qū)動(dòng)光耦。

10）采用外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，可與單片機(jī)共用一個(gè)晶體諧振器，最高工作頻率可達(dá)24MHz。

11）有完善的多級(jí)保護(hù)電路，保護(hù)動(dòng)作靈敏（典型反應(yīng)時(shí)間小于2個(gè)時(shí)鐘周期）。

12）PWM波形調(diào)整快，在一個(gè)PWM周期內(nèi)即可完成變換。

13）三相輸出的電平為負(fù)脈沖有效，無(wú)波形輸出時(shí)保持高電平。

SM2001有6個(gè)PWM輸出端口，通過(guò)雙邊沿規(guī)則采樣的方法產(chǎn)生6路PWM輸出波形，分別驅(qū)動(dòng)U、V、W三相橋式功率開關(guān)，每相的信號(hào)由2路與TTL電平兼容的管腳輸出。該信號(hào)通常是通過(guò)外部的隔離器件（如光耦）來(lái)驅(qū)動(dòng)橋式電路。2個(gè)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)某一相的上半橋臂和下半橋臂。

在通過(guò)PWM合成正弦波的方法中，有多種參數(shù)需要確定，如：三相正弦波的頻率、三相正弦波的幅度、PWM波的頻率、最小窄脈沖寬度和死區(qū)時(shí)間。在SM2001的控制設(shè)置中，這些參數(shù)全部可以通過(guò)一個(gè)高速串行口進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

對(duì)于電力應(yīng)用或功率電路的驅(qū)動(dòng)，除正常的功能外，最重要的就是完善的保護(hù)機(jī)制了。而SM2001具有完善的保護(hù)電路。在SM2001中，設(shè)置了三個(gè)層次的安全保護(hù)。

一個(gè)是SPWM輸出的開啟命令：在SM2001的設(shè)置中，有一條開啟指令，在所有的初始化參數(shù)設(shè)置完成后，芯片并不是立即產(chǎn)生輸出波形，只有在開啟命令發(fā)布后，SPWM波形才會(huì)輸出，這是為了防止在系統(tǒng)未完成初始化時(shí)有錯(cuò)誤的波形產(chǎn)生。而一旦開啟SPWM的輸出后，再進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，SPWM的變化將立即出現(xiàn)，不再需要開啟命令了。

第二個(gè)保護(hù)是OE控制端，它是用于單片機(jī)的普通輸出控制的。在SM2001上有一個(gè)使能控制端OE，接受控制系統(tǒng)的控制信號(hào)。當(dāng)OE為高電平時(shí)，SPWM完整輸出波形，否則，輸出將保持高電平靜止?fàn)顟B(tài)。

第三重保護(hù)是異常中斷控制端INT，主要是接受系統(tǒng)的異常信號(hào)，如輸出短路、斷相等異常信號(hào)。當(dāng)外部檢測(cè)電路發(fā)現(xiàn)異常，在INT上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電平或負(fù)脈沖信號(hào)，SM2001的輸出將立即截止，且反應(yīng)時(shí)間小于200ns，大大高于普通采用單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生SPWM波形的控制模式。在異常保護(hù)出現(xiàn)后，芯片將不能通過(guò)命令恢復(fù)輸出（防止由于單片機(jī)的故障而產(chǎn)生錯(cuò)誤的開啟），只有在重新上電或RST復(fù)位后，芯片才能重新接受控制。

由于SM2001采用了內(nèi)部的大規(guī)模正弦波形發(fā)生器，所以輸出的正弦波精度高，失真和諧波都很小，且由于采用參數(shù)設(shè)置的方式，各種微處理器都可以很方便地控制SM2001。由于是全數(shù)字化的設(shè)計(jì)，內(nèi)部的波形發(fā)生器、乘法器、PWM波形產(chǎn)生電路的精度都高于最后實(shí)際的輸出精度，所以產(chǎn)生的SPWM波形具有非常高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。而精確的波形可以使功率輸出電路的效率得到提高。

SM2001完全可以作為微處理器的一個(gè)獨(dú)立的外部電路工作。在設(shè)置初始化條件后，SM2001完全自動(dòng)產(chǎn)生SPWM驅(qū)動(dòng)波形。只有當(dāng)需要改變輸出波形或處理異常中斷等狀態(tài)時(shí)，才需要微處理器的干預(yù)。

在SM2001芯片內(nèi)部有兩套標(biāo)準(zhǔn)的三相SPWM驅(qū)動(dòng)波形，即純正弦波和高效準(zhǔn)正弦波?？赏ㄟ^(guò)端口WVS的設(shè)置電平來(lái)選擇。其中純正弦波主要用于UPS等系統(tǒng)，而高效準(zhǔn)正弦波主要用于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面，這種波形可提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。這兩種

波形可以滿足絕大部分的應(yīng)用需求。對(duì)于特殊的波形需求則可以通過(guò)修改波形發(fā)生器來(lái)得到。

4內(nèi)部控制寄存器說(shuō)明

SM2001的工作狀態(tài)和輸出信號(hào)的參數(shù)是由內(nèi)部的寄存器控制。寄存器大小為8Bit，地址用3Bit的二進(jìn)制碼表示。故通訊數(shù)據(jù)為11Bit。

4?1頻率控制寄存器PFR(地址011)

控制三相SPWM波的頻率，256級(jí)選擇精度，地址為011。它控制輸出的PWM合成的正弦波的頻率，三相波形的頻率是相同的，通過(guò)此寄存器進(jìn)行選擇。B7B6B5B4B3B2B1B0
Pf7Pf6Pf5Pf4Pf3Pf2Pf1Pf0
輸出的三相波頻率fsin由式（1）算出

fsin=fclk×PFR/(512×192×256)（1）

式中：fclk——是系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率；

PFR——PFR寄存器的值(0～255)。

例如：如果時(shí)鐘頻率為20MHz，PFR=63，則三相正弦波的頻率為50.1Hz。

4?2調(diào)制度控制寄存器AMPR(地址010)

改變輸出三相波的幅度，256級(jí)選擇精度，地址為010。它控制輸出的PWM合成的正弦波的幅度，三相波形的幅度是相同的，通過(guò)此寄存器進(jìn)行選擇。B7B6B5B4B3B2B1B0
Amp7Amp6Amp5Amp4Amp3Amp2Amp1Amp0
輸出的三相波幅度Asin由式（2）算出

Asin=（AMPR/255）×100％(2)

式中：AMPR——AMPR寄存器的值（1～255）。

例如：如果后級(jí)功率電路的直流電壓為300V，AMPR=128，選取純正弦波輸出，則輸出正弦波的峰值電壓為150V，有效值電壓為106V。但根據(jù)死區(qū)時(shí)間和窄脈沖時(shí)間的大小不同而產(chǎn)生的效應(yīng)，實(shí)際的輸出電壓可能略小于此數(shù)值。

4?3PWM開關(guān)頻率和窄脈沖寄存器FPDR

（地址001）

設(shè)置PWM載波的開關(guān)頻率和要?jiǎng)h除的無(wú)效窄脈沖寬度，地址為001。PWM的開關(guān)頻率是后級(jí)大功率管或大功率模塊的重要參數(shù)之一，它往往取決于后級(jí)功率電路的開關(guān)時(shí)間、工作效率、是否要靜音設(shè)計(jì)等要求。本芯片的PWM的開關(guān)頻率與時(shí)鐘頻率有關(guān)，在20MHz時(shí)鐘時(shí)最高開關(guān)頻率可達(dá)到38kHz，完全滿足高速儀表中的靜音設(shè)計(jì)要求。B7B6B5B4B3B2B1B0
CF1CF0PD5PD4PD3PD2PD1PD0
4.3.1PWM頻率選擇位CF1、CF0

當(dāng)CF1、CF0為11、10、01、00時(shí)，其對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)N則分別為8、4、2、1。

PWM開關(guān)頻率fc由式（3）算出

fc=fclk/（512×N）(3)

例如：若時(shí)鐘頻率為20MHz，PWM頻率選擇字為11，則

fc=20000000/(512×8)=4882Hz

4.3.2窄脈沖時(shí)間選擇位PD5～PD0

窄脈沖的時(shí)間tpd由式（4）算出

tpd=PD/（fc×512）(4)

式中：PD——窄脈沖時(shí)間選擇數(shù)值。

窄脈沖刪除功能是指在PWM波中，由于后級(jí)電路的開關(guān)時(shí)間問(wèn)題，小于tpd寬度的脈沖不能引起后級(jí)電路的動(dòng)作，可以被刪除去。參見(jiàn)圖3。

4?4死區(qū)時(shí)間選擇寄存器DTIM（地址100）

設(shè)置PWM載波的死區(qū)時(shí)間寬度，地址為100。B7B6B5B4B3B2B1B0
－－DT5DT4DT3DT2DT1DT0
PWM載波的死區(qū)時(shí)間也是后級(jí)大功率管或大功率模塊的重要參數(shù)之一，它取決于后級(jí)功率電路的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間。對(duì)于采用IGBT作為功率輸出的電路，則尤為重要。如果設(shè)置不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致功率電路燒毀或諧波失真增加，死區(qū)時(shí)間設(shè)置參見(jiàn)圖4。

死區(qū)時(shí)間tpdy由式（5）算出:

tpdy=DT/（fc×512）（5）

式中：DT——死區(qū)時(shí)間選擇數(shù)值。

圖3窄脈沖刪除示意圖

三相正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）信號(hào)發(fā)生器SM2001

表2復(fù)位狀態(tài)時(shí)各寄存器內(nèi)容寄存器復(fù)位值111111111100110000111110XX111111
寄存器窄脈沖選擇和PWM頻率寄存器幅度控制寄存器AMPR頻率控制寄存器PFR死區(qū)時(shí)間控制寄存器DTIM
fclk=20MHzVDD=300VfPWM=4882Hztpd=25.6μs80％50Hztpdy=25.6μs

圖4死區(qū)時(shí)間設(shè)置

圖5數(shù)據(jù)的輸入時(shí)序

4?5開啟命令START（地址110）

在完成芯片的各項(xiàng)參數(shù)的初始化設(shè)置后，通過(guò)往地址110中寫入5FH，即可以開啟芯片的SPWM輸出。以后的參數(shù)改變，一旦寫入寄存器即立即表現(xiàn)出來(lái)，不必再使用開啟命令了。

5三線同步串行接口

SM2001的寄存器是通過(guò)一個(gè)三線同步串行接口進(jìn)行設(shè)置的。A0A1A2D0D1D2D3D4D5D6D7
寄存器選擇寄存器數(shù)據(jù)

當(dāng)片選CS為低時(shí)，芯片進(jìn)入串行通信狀態(tài)，在每個(gè)時(shí)鐘CK的上升沿，數(shù)據(jù)線DA上的數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部緩沖器，當(dāng)11個(gè)數(shù)據(jù)位全部進(jìn)入緩沖器后，在最后一個(gè)CK脈沖的認(rèn)可下，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)入相應(yīng)的寄存器，且命令被立即執(zhí)行。

地址和數(shù)據(jù)的低位在先傳入，分別為A0、A1、A2、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。由于內(nèi)部的時(shí)序原因，在完成所有的數(shù)據(jù)輸入，CS恢復(fù)高電平后，必須在CK上額外地多加入一個(gè)時(shí)鐘，完成數(shù)據(jù)的認(rèn)可，具體如圖5所示。

6上電和復(fù)位

RST接低電平時(shí)，芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)輸出端輸出高電平，各寄存器的內(nèi)容如表2所列。

復(fù)位主要是用來(lái)恢復(fù)INT異常中斷的狀態(tài)。如果不是首次上電，復(fù)位并不能清除開啟命令。在芯片工作中時(shí)復(fù)位，芯片將以初始化條件輸出PWM波形，所以應(yīng)配合使用OE的功能，首先關(guān)閉SPWM輸出（OE=0），復(fù)位電路（RST上加入一個(gè)負(fù)脈沖），在設(shè)置好需要的參數(shù)后，再開啟OE，才能正常的輸出波形。

當(dāng)采用20MHz的時(shí)鐘時(shí)，表2中的缺省條件表示PWM的頻率為4882Hz，死區(qū)和短脈沖時(shí)間為25.6μs，正弦波頻率為50Hz，合成正弦波峰值幅度為電源的80％。（注意：在芯片的OE不為高，或MCU未發(fā)送開始命令時(shí)，U、V、W端口并沒(méi)有實(shí)際的SPWM輸出）

當(dāng)芯片首次上電時(shí)，也將自動(dòng)復(fù)位所有的寄存器為內(nèi)部初始值，且芯片的輸出端保持高電平（不輸出時(shí)的缺省狀態(tài)）。

7示范電路和與IPM的接口

示范電路與IPM接口電路如圖6所示。

7?1說(shuō)明

1）采用簡(jiǎn)單的MCU的5根IO口即可控制SM2001，并直接將MCU的時(shí)鐘作為SM2001的時(shí)鐘。

2）IPM的驅(qū)動(dòng)及電源要求見(jiàn)三菱電機(jī)的手冊(cè)《智能化IGBT模塊——IPM》。

7?2示范程序

CLRRES；芯片復(fù)位

ACALLDELAY3；延時(shí)

SETBRES

CLROE；關(guān)閉輸出CLRTCK

SETBTCS；選擇通訊

MOVA,＃03H；設(shè)置PFR寄存器

MOVB,＃50；初始頻率30Hz

ACALLCOMMOUT

（a）示范電路

(b)與IPM接口電路

圖6示范電路與IPM接口電路

三相正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）信號(hào)發(fā)生器SM2001

MOVA,＃02H；設(shè)置AMPR寄存器

MOVB,＃80H；初始幅度80％

ACALLCOMMOUT

MOVA,＃01H；設(shè)置FPDR寄存器

MOVB,＃11010000b；PWM頻率5KHz

ACALLCOMMOUT；窄脈沖6.25us

MOVA,＃04H；設(shè)置DTIM寄存器

MOVB,＃00010000b；死區(qū)時(shí)間6.25us

ACALLCOMMOUT

SETBOE

MOVA,＃06H;開啟PWM輸出

MOVB,＃5FH

ACALLCOMMOUT

......

8SM2001控制流程

控制流程圖如圖7所示。

參考文獻(xiàn)

[1]深圳國(guó)微電子股份有限公司.SM2001數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].2002.

[2]MITSUBISHI公司.智能化IGBT模塊——IPM[M].1997.