基于TMS320F240的多種PWM實(shí)現(xiàn)

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的方法比較簡單而且靈活。本文就美國德州儀器公司生產(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DSP既可滿足需要一般的對(duì)稱或非對(duì)稱PWM波形的場合，也可滿足需要比較復(fù)雜的空間矢量（space vector）PWM的應(yīng)用場合。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器 PWM 工業(yè)控制

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)固定的周期稱為PWM（載波）周期。PWM脈沖的寬度由另一個(gè)稱為調(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)用來控制開關(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Texas Instrument公司制造的專門用于滿足控制方面需要DSP芯片。它的內(nèi)部集成了高性能的DSP核和片內(nèi)外設(shè)模塊，使用1片這樣的DSP即可解決原來利用多個(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)用于沒有死區(qū)要求或用片外的其它電路構(gòu)成死區(qū)的場合。

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則開始按照其它bit位所設(shè)置的方式開始計(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中沒有畫出，通過設(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中沒有畫出。通過設(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)稱或非對(duì)稱的PWM。下面以全比較單元為例，對(duì)產(chǎn)生對(duì)稱和非對(duì)稱PWM作一討論。

為了產(chǎn)生非對(duì)稱的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PWM類似。不對(duì)1個(gè)周期內(nèi)有2次比較匹配點(diǎn)，一次是在遞增過程，一次是遞減過程。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/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/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。