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基于TMS320F240的多種PWM實(shí)現(xiàn)

作者: 時(shí)間:2006-05-07 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:脈寬調(diào)制PWM在諸如電梯、電機(jī)等控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,其中一個(gè)重要的原因就是PWM實(shí)現(xiàn)了模擬控制的數(shù)字化,而產(chǎn)生PWM的方法比較簡(jiǎn)單而且靈活。本文就美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320F240數(shù)字信號(hào)算是器,詳盡介紹基提供的有關(guān)PWM的硬件資源以及使用方法。用該既可滿足需要一般的對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)PWM波形的場(chǎng)合,也可滿足需要比較復(fù)雜的空間矢量(space vector)PWM的應(yīng)用場(chǎng)合。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/242380.htm

關(guān)鍵詞:器 PWM

1 概述

在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖脈沖在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同。我們把正弦半波看成由N個(gè)等時(shí)間寬度的彼此相連的脈沖組成的波形。這些脈沖的幅度按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等時(shí)間寬度的矩形脈沖序列代替,使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合,且使矩形脈沖和相就的正弦部分面積(沖量)相等,那么,將該等幅而不等寬的脈沖施加于被控對(duì)象上,可以起到對(duì)被替代的正弦半波的控制效果。這些等幅而不等寬的脈沖就叫PWM(Pulse Width Modulation,脈寬調(diào)制)波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化且與正弦波沖量等效的PWM波形也稱(chēng)SPWM(Sinusoidal PWM)波形。

脈寬調(diào)制信號(hào)是脈寬變化的一系列脈沖。脈沖持續(xù)若干固定的周期,每個(gè)周期內(nèi)只有1個(gè)脈沖。那個(gè)固定的周期稱(chēng)為PWM(載波)周期。PWM脈沖的寬度由另一個(gè)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)的序列決定或調(diào)制。在電機(jī)控制中,PWM信號(hào)用來(lái)控制開(kāi)關(guān)功率器件的通斷時(shí)間,傳遞所需的能量給電機(jī)繞組。相電流和相電壓的波形和頻率以及傳遞給電機(jī)的繞組的能量決定了電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。施加于電機(jī)命令電流或電壓叫調(diào)制信號(hào)。調(diào)制信號(hào)的頻率一般比PWM載波的頻率低得多。

2 TMS320F240內(nèi)嵌的有關(guān)PWM的硬件資源

TMS320F240是美國(guó)Texas Instrument公司制造的專(zhuān)門(mén)用于滿足控制方面需要芯片。它的內(nèi)部集成了高性能的核和片內(nèi)外設(shè)模塊,使用1片這樣的DSP即可解決原來(lái)利用多個(gè)器件和MCU單片機(jī)還難以完成的任務(wù)。尤其是其內(nèi)部嵌入的事件管理器EV(Event Manager),資源豐富,包含有產(chǎn)生PWM波形的多種硬件資源:

*12個(gè)比較/PWM通道(9個(gè)為獨(dú)立的,即非復(fù)用的);

*3個(gè)16位通用定時(shí)器,可以工作于連續(xù)遞增、連續(xù)遞減等6種模式;

*3個(gè)16位全比較器,提供死區(qū)設(shè)置功能;

*3個(gè)16位單比較器。

從圖1可以看出,事件管理器模塊有12個(gè)比較/PWM輸出引腳。事件管理器模塊所有的寄存器都映射到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。這些寄存器分為三部分:通用定時(shí)器的寄存器(12個(gè));全比較和單比較單元的寄存器(10個(gè));事件管理器模塊的中斷寄存器(9個(gè))等。為了產(chǎn)生PWM信號(hào),需要1個(gè)計(jì)數(shù)器重復(fù)對(duì)應(yīng)于PWM周期的計(jì)數(shù),1個(gè)比較器保存調(diào)制值。比較器不斷地與定時(shí)計(jì)數(shù)器的值比較。當(dāng)值相等時(shí),輸出引腳發(fā)生電平躍變;當(dāng)值第2次相等時(shí)或計(jì)數(shù)到達(dá)周期值時(shí),輸出引腳又發(fā)生電平躍變。對(duì)于每一個(gè)定時(shí)周期,改變對(duì)應(yīng)于調(diào)制值的比較器的值,即可得到不同脈沖寬度的信號(hào)。

每個(gè)通用定時(shí)器比較單元可產(chǎn)生基于其自己的定時(shí)器的PWM輸出波形。

3 個(gè)單比較器單元以及通用定時(shí)器1或2可以產(chǎn)生另外3路PWM輸出,可以應(yīng)用于沒(méi)有死區(qū)要求或用片外的其它電路構(gòu)成死區(qū)的場(chǎng)合。

全比較器單元的任何一個(gè)以及通用定時(shí)器1、死區(qū)單元和輸出邏輯,可以產(chǎn)生一對(duì)死區(qū)和極性可編程的PWM信號(hào)。這非常適合應(yīng)用于三相感應(yīng)到無(wú)刷電機(jī)中。

以下就每個(gè)部分分別作一介紹。

3 多種PWM的實(shí)現(xiàn)

3.1 利用EV中的通用定時(shí)器GP產(chǎn)生PWM

如圖2所示,3個(gè)定時(shí)器可以用來(lái)作為獨(dú)立的時(shí)間基準(zhǔn)(圖中x=1,2,3)。它們可以:

*作為控制系統(tǒng)中的采樣周期;

*為全比較和單比較單元的工作以及它們相關(guān)連PWM電路提供時(shí)間基準(zhǔn),以產(chǎn)生需要的比較/PWM輸出。

邏輯控制寄存器TxCON的bit位設(shè)置定時(shí)器x(x=1,2,3)的計(jì)數(shù)方式,TxCON的bit6=“1”,使能定時(shí)器x,定時(shí)器x則開(kāi)始按照其它bit位所設(shè)置的方式開(kāi)始計(jì)數(shù)。每一個(gè)通用定時(shí)器都有1個(gè)相關(guān)聯(lián)的比較寄存器TxCMPR和1個(gè)比較/PWM輸出引腳TxPWM/TxCMP。計(jì)數(shù)器內(nèi)部的值不斷地與對(duì)應(yīng)的比較寄存器的值進(jìn)行比較,當(dāng)兩者相等的時(shí)候,產(chǎn)生1個(gè)比較匹配事件。當(dāng)TcCON[1]=“1”,則產(chǎn)生下列動(dòng)作:

*比較中斷標(biāo)志置位;

*若計(jì)數(shù)方式不是直接加減方式,則相關(guān)聯(lián)的比較/PWM輸出引腳上將產(chǎn)生電平變化(具體變化由GPTCON決定)。

如果通用定時(shí)器的比較工作被禁止,則比較/PWM輸出引腳上呈現(xiàn)高阻態(tài),上述動(dòng)作不會(huì)發(fā)生。

3.2 利用EV中的單比較器模塊(simple compare)產(chǎn)生PWM

從圖1可以看出,事件管理器中有3個(gè)單比較單元。每個(gè)單比較單元有1個(gè)相關(guān)聯(lián)的比較/PWM輸出引腳。單比較單元的時(shí)間基準(zhǔn)由通用定時(shí)器1或2提供。單比較單元框圖如圖3所示。它與全比較器共用1個(gè)比較控制寄存器COMCON,圖3中沒(méi)有畫(huà)出,通過(guò)設(shè)置COMCON的相應(yīng)的bit位,可以使能/禁止單比較器的比較工作、使能/禁止單比較器的輸出、選擇單比較器的時(shí)基等。

3.3 利用EV中的全比較器模塊(full compare)產(chǎn)生PWM

從圖1可以看出,事件管理器中有3個(gè)全比較單元。每個(gè)全比較單元有3個(gè)全比較單元。每個(gè)全比較單元有2個(gè)相關(guān)聯(lián)的比較/PWM輸出引腳。全比較單元的時(shí)間基準(zhǔn)由通用定時(shí)器1提供,如框圖4所示。它與單比較器共用1個(gè)比較控制寄存器COMCON,圖4中沒(méi)有畫(huà)出。通過(guò)設(shè)置COMCON的相應(yīng)的bit位,可以使能/禁止全比較器的工作、使能/禁止全比較器的輸出等。

全比較單元的工作模式同樣由COMCON寄存器來(lái)設(shè)置。它的工作模式可分為“COMPARE模式”和“PWM模式”。當(dāng)全比較單元工作于“COMPARE模式”時(shí),其輸入引腳可以分別地被控制為“電平保持”/“置高”/“置低”/“依比較事件而高低變化”等多種輸出形式;當(dāng)全比較單元工作于“PWM模式”時(shí),它由不同的控制寄存器控制,并且最終的輸出還受到死區(qū)單元和空間矢量PWM的影響(參見(jiàn)圖5)。除此之外,全比較單元的“PWM模式”基本與通用定時(shí)器的比較方式相同。

3.4 利用全比較器的PWM工作模式

與全比較器單元相關(guān)聯(lián)PWM電路能夠產(chǎn)生6路死區(qū)和極性可編程的PWM,如圖5所示。

圖5中的所謂非對(duì)稱(chēng)PWM就是一個(gè)定時(shí)器周期內(nèi)只有1個(gè)“占”和1個(gè)“空”。所謂對(duì)稱(chēng)PWM就是脈沖位于1個(gè)周期的中間,即中間為“占”,兩邊為“空”。EV中的每一個(gè)比較單元均可產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)的PWM。下面以全比較單元為例,對(duì)產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)PWM作一討論。

為了產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)的PWM,要求GP TIMER1設(shè)置為連續(xù)遞增計(jì)數(shù)模式、預(yù)置周期寄存器的數(shù)值、設(shè)置COMCON為使能比較、預(yù)置DBTCON的數(shù)值(若對(duì)死區(qū)有要求),然后適當(dāng)?shù)嘏渲肁CTR即可產(chǎn)生一個(gè)非對(duì)稱(chēng)的PWM信號(hào)。

GP定時(shí)器1啟動(dòng)以后,在每個(gè)PWM周期,比較寄存器以其影像單元的數(shù)值覆蓋自身。由于比較寄存器、動(dòng)作寄存器和周期寄存器都有鏡像單元(帶影像),所以,新數(shù)值可以在一個(gè)周期內(nèi)的任何時(shí)間寫(xiě)入這些寄存器以及分別改變脈寬、PWM周期和PWM輸出的定義。

為了產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的PWM,則要求GP定時(shí)器1設(shè)置為連續(xù)遞增/減計(jì)數(shù)模式,其它與產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)PWM類(lèi)似。不對(duì)1個(gè)周期內(nèi)有2次比較匹配點(diǎn),一次是在遞增過(guò)程,一次是遞減過(guò)程。新的比較值可以在匹配點(diǎn)之后發(fā)生作用,這樣可提高或滯后PWM的第2個(gè)沿。

3.5 空間矢量PWM

對(duì)于圖6而言,空間矢量PWM是指6個(gè)功率晶體管開(kāi)/組合方案。圖6中Va、Vb、Vc是施加工電機(jī)繞組的電壓。為使功率晶體管工作于安全狀態(tài),DTPHx和DTPHx_應(yīng)成反相關(guān)系。3組PWM輸出DTPHx和DTPHx_應(yīng)成反相關(guān)系。3組PWM輸出DTRHx和DTPHx_(x=a,b,c)控制著6個(gè)晶體管的開(kāi)/關(guān),進(jìn)而改變Va、Vb、Vc的大小。所以,可利用DTPHa、DTPHb和DTPHc的狀態(tài)改變施加到電機(jī)的線電壓Vout。相電壓的取值可以用DTPHa、DTPHb和DTPHc的8種有效狀態(tài)S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8來(lái)對(duì)應(yīng)映射。由狀態(tài)S1→S2→S3→S4→S5→S6→S7→S8構(gòu)成循環(huán)的1個(gè)周期,即360°。在一個(gè)極坐標(biāo)上,將每個(gè)狀態(tài)Sx用一個(gè)矢量表示,則由狀態(tài)S1→S2…→S8所對(duì)應(yīng)的輸出PWM稱(chēng)為空間矢量PWM。

利用PWS320F240內(nèi)置的EV苛以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)空間矢量PWM。方法如下:

*配置ACTR,以定義全比較輸出引腳的極性;

*配置COMCON,以使能比較、設(shè)置空間矢量PWM模式、設(shè)置ACTR和CMPx重載的條件;

*設(shè)置GP定時(shí)器1為連續(xù)遞增/減模式,啟動(dòng)計(jì)數(shù)動(dòng)作。限于篇幅,有關(guān)空間矢量PWM更詳細(xì)的內(nèi)容在此不再多述,本人將另文介紹。

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