原创 spwm

SPWM技术目前已经在实际中得到非常普遍的应用，尤其在逆变电路中的应用最为广泛，经过长期的发展，大致可分成电压SPWM、电流SPWM和电压空间矢量SPWM。其中电压和电流SPWM是从电源角度出发的SPWM，而电压空间矢量SPWM是从电动机角度出发的SPWM。

本文以400 Hz三相逆变电源的研发为依托，介绍利用TMS320F2812生成电压SPWM的技术。产生电压SPWM波的方法可分为硬件法和软件法两类，硬件法最实用的是采用专用集成电路，如SA4828，HEF4752，SLE4520等，软件法是使电路成本最低的方法，他通过实时计算来生成SPWM波，实时计算对控制器的运算速度要求非常高，高性能的DSP(数字信号处理器)无疑是能满足这一要求的性价比最理想的选择。

2?SPWM基本原理

PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形。SPWM波形(SinusoidalPWM)就是脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

产生SPWM波的原理是：用一组等腰三角波与一个正弦波进行比较，其相交的时刻(即交点)作为开关管“开”或“关”的时刻，这组等腰三角形波称为载波，而正弦波称为调制波，如图1所示。正弦波的频率和幅值是可控制的，改变正弦波的频率，就可以改变电源输出电压的频率，改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点，使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变电源输出电压的大小。

3 软件设计

3.1 TMS320F2812的事件管理器模块

TMS320F2812是TI公司推出的高速数字信号处理芯片，器件上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台，控制生成SPWM主要利用的是片上的事件管理器模块(EVA和EVB)，该模块具有以下主要功能：

(1)5个独立的PWM输出，其中3个由比较单元产生，2个由通用定时器产生。另外还有3个由比较单元产生的PWM互补输出；

(2)由比较单元产生的PWM死区可编程；

(3)能够产生可编程的非对称、对称和空间矢量PWM波形；

(4)比较寄存器和周期寄存器可自动装载，减少CPU的开销。

3.2?SPWM波的生成

3.2.1 总体思路

本文利用的是EVA模块，当定时器T1处于连续递增／递减计数模式时，计数寄存器(T1CNT)中的数值的变化轨迹就是等腰三角形，也就相当于产生了一系列的等腰三角形波，当比较寄存器(CMPRx，x=1，2，3)中的值与计数寄存器中的值相等时，对应的引脚(PWMx，x=1，2，3，4，5，6)上的电平就会发生跳变，从而输出一系列的等高的方波信号，如图2所示。至于输出的方波的宽度，就和比较寄存器中的值一一对应，因此，只要使比较寄存器中的值按正弦规律变化，就可以得到SPWM波形。

3.2.2 算法分析

通过实时计算生成电压SPWM需要数学模型，建立数学模型的方法有多种，比如谐波消去法、等面积法、采样型SPWM法以及他们派生出来的各种方法。本文介绍的生成SPWM波采用的是不对称规则采样法，不对称规则采样法是用阶梯波去逼近正弦波，每个载波周期内采样两次，既在三角波的顶点对称轴位置采样，又在三角波的底点对称轴位置采样，由于这样采样所形成的阶梯波与三角波的交点不对称，故称其为不对称规则采样法，如图3所示。此法所形成的阶梯波与正弦波的逼近程度大大提高，所以谐波分量的幅值更小，在实际中得到了较多的应用。

图3中所示，Us是三角载波峰值，Tc是三角载波周期，t1和t2分别是两次采样时刻，他们决定了SPWM波上的“开”、“关”时间分别是ton1，toff1和ton2，toff2。根据三角形相似关系式推导可得：

式中M=UM／US，即正弦波峰值与三角波峰值之比，M称为调制度。N=fc／f=1／(Tcf)，即三角波频率fc与正弦波频率f之比，N称为载波比。k为偶数时代表顶点采样，k为奇数时代表底点采样。以上是生成单相SPWM波的数学模型，要生成三相SPWM波，必须使用三条正弦波和同一条三角波求交点，三相正弦波依次相差120°，所以在顶点采样时三相的脉宽分别是：

3.2.3 程序流程图

程序有主程序和定时器下溢中断子程序组成，主程序是一个无限循环结构，他的主要工作是系统的初始化，根据中断子程序中给出的比较寄存器的值生成SPWM波。流程图如图4所示。中断子程序的主要功能是计算比较寄存器的值，流程图如图5所示。

3.2.4 程序编写

本例程的载波频率为12 kHz，调制波频率为400 Hz，DSP时钟频率为150 MHz，载波周期Tc=1／(12×150×10°)=12 388个计数周期。

中断子程序主要是计算功能，按图5所示的流程图一步步编写即可，程序不再列出。至于在计算中用到的正弦sin值，为了保证控制的实时性，最好把用到的sin值事先计算出来做成一个数组放在DSP的数据存储器中，存放位置及长度需在.cmd文件中进行设置。

4 实验结果

按照以上思路编写出的软件经过调试编译，运行良好，SPWM波形正常，如图6(a)、图6(b)所示。脱离仿真环境后和逆变电路连接在一起，驱动IGBT工作，逆变出的三相正弦波波形良好。