基于DSP的高速变频控制系统高频SPWM控制器设计
梁中华，杜继光，杨霞
(沈阳工业人学，辽宁沈阳110870)
摘要：文章采用TMs210F2812型号DsP控制高速变换器功率开关器件，采用对称规则采样算法和分段脉宽调制技术生成高频sPwM波形，并给出主要的程序流程和实现方法。最后，经实验观测波形结果正确无误，验证了设计方案可行。
关键词：TMs2lOF2812；高频控制；对称规则采样算法
0引言
数字信号处理器（DsP）的高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现，同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，在控制领域内也得到很好的应用，给交流电动机变频调速技术注入了新的活力，使变频调速系统真正达到了体积小、重量轻、成本低、效率高、无公害的要求。高速电机控制系统采用DsP控制芯片能产生抗干扰能力强，可靠性高，灵活性强的高频脉宽调制信号。
在DsP中，TMs320F2812型号是专门为电机控制设计的控制芯片，它功能强大，运算速度快，最适合于sPwM控制，由它来控制逆变器的6个开关器件，实现sPwM变频调速，文中利用TI公司TMs320F2812数字信号处理器设计高频sPwM调速器。
1 sPwM对称规则采样算法
sPwM的采样算法主要有：自然采样，对称规则采样，不对称规则采样。自然采样法是将基准正弦波与一个三角载波相比较，由两者的交点决定出逆变器开关模式的方法，而正弦波与三角波两个相邻交点的时刻，不但是载波比的函数，而且是幅度调制比的函数，而求解其与幅度调制比的关系要花费很多时间。对称规则采样法是只在三角波的顶点位置或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波，此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽在一个采样周期内的位置是对称的。在对称规则采样中，实际的正弦波与三角载波的交点所确定的脉宽要比生成的PwM脉宽大，即变频器的输出电压比正弦波与i角波直接比较生成PwM时输出的电压要低。不对称规则采样法是在三角波的一个周期内，利用三角波的两个峰值点对应的正弦函数值，求取的脉冲对=角波的峰值点不对称。高频率信号输出时，要求控制器处理速度及时，不对称规则采样和自然采样算法的编程较为复杂，不利于高频率信号调制，因此本文选择对称规则采样算法。
图l为对称规则采样sPwM波生成原理图，图中Us是三角载波峰值，Tc是三角载波周期，t1为采样时刻，由图可推导其数学模型：
根据三角形相似关系，则有：
将式(2)代入式(1)可得：
因此，生成的SPWM波的脉宽为
将三角波频率fc与正弦波频率fr之比即载波比Ⅳ变换得
式中，K为采样序号。则
将式(7)代入式(4)可得：
三相正弦电压彼此相位差相差120o，要生成三相SPWM就是使用3个彼此相位差为120o正弦波与同一个三角载波相比较求其交点。由单相SPWM波的数学模型即可得出结论：
2高频SPWM波形的实现
2 .1高频SPWM波形的实现
利用DSP事件管理器模块(EVA或EvB)的三个比较单元、通用定时器、死区发生单元及输出逻辑来生成三相六路sPwM波形。通过设置定时器1的周期寄存器TlPR，就可使其产生一定
周期的载波信号。可将定时器l设置为连续增／减模式，在此模式下，定时器l计数器(T1cNT)
从O开始递增至周期寄存器(TlPR)的值后又递减到0，如此循环反复；在定时器1不断计数的同
时，比较单元的比较逻辑也在不断地将定时器1的计数值和比较寄存器的值fcMP-Rx，x=1，2，
3)进行比较，当两个值相等时将发生比较匹配信号。该信号被送到PWM电路中的波形发生器，
由它产生一路PwM脉冲信号，再经过死区单元产生变频器开关器件的驱动脉冲信号。
程序中首先要对DSP各功能模块进行配置及初始化，主要包括：系统初始化、中断控制初
始化、中断向量表初始化、事件管理器初始化、串行通讯初始化等等。本文主要说明一下对于事
件管理器的配置与初始化，它包括：
(1)将GPIOAO—GPIOA5(PwMl一PWM6)配置为基本功能方式；
(2)将GPIOA0一(3PI()A5(PwMl一PwM6)配置为输出，且高有效；
(3)计数器1采用连续增／减计数模式，输入时钟预定标系数x／64(防止计数器周期值溢出)，
使用内部cPu时钟；
(4)使能定时器1下溢中断，定时PWM死区时间为2 μs：
(5)初始化定时器1为O，初始化周期寄存器值为初始载波频率2 kHz所对应的计数值：
(6)初始化比较寄存器值为0xofFF；
(7)使能定时器l和比较单元。
2 2分段调制技术的实现
由于高速电机控制系统的信号频率范围较大，因此单纯的采用异步调制或同步调制都达不到理想的控制效果，而分段式的脉宽调制技术把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，在低频段采用异步调制，在频率达到一定值后改换成分段同步调制且每个频段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同。在输出频率高的频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高，限制在功率开关器件允许的范围内。在输出频率低的频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频段载波比取3的整数倍且为奇数为宜。
本设计中调制波输出频率范围为O～1200 Hz，各频段的载波比N如图2所示。
2 3程序流程
高频sPwM波形产生程序主要由主程序、定时器
Tl下溢中断子程序、分段调制子程序组成。主程序任务重要是：配置和初始化系统，中断控制等相关功能；由负载的u／f曲线确定当前调制度M值。定时器T1下溢中断子程序主要完成三个比较寄存器(cMPRl、cMpr2、cMPR3)的计算、赋值，来调节输出PwM波形的占空比。在Tl下溢中断子程序中，对于三相正弦函数，可利用I)SP2812固化在内部Boot ROM中的正弦函数表，在程序中以IQmath函数形式直接求值计算。分段调制子程序主要完成在输出频率发生改变时判断此频率所属调制分段并根据不同段区多对应的计算方法实时计算定时器Tl下溢中断子程序中的sPWM波形生成相关参数。其程序流程图如图3所示。
3实验与结论
本文采用ccs3 .3集成开发环境编译所有程序，程序编译无误后生成0uT文件，通过仿真器将程序装载到DsP中。本文采用合众达实验仿真实验板sEED—I)SK2812 v1. 3进行试验。通过示波器观测高频SPWM波形结果如下：
图4～图6中波形清晰，完整，稳定，幅值、相位、频率、载波比正确，有效验证了编程设计思想。
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