基于TMS320F2812的載波移相PWM發生器的設計＊

楊仁增 王海欣 黃海宏

(合肥工業大學，安徽 合肥 230009)

0 引言

級聯多電平逆變器作為一種新型的高壓大功率逆變器，通過多電平階梯波輸出以逼近正弦電壓，在得到高質量輸出波形的同時，具有開關頻率低，開關器件應力小，系統效率高等優點。在級聯多電平逆變器的應用中，當電平數超過5，從簡化控制算法的角度，三角載波PWM法是一種較好的選擇[1]。三角載波移相PWM(Carrier Phase－Shift PWM，簡稱 CPS－PWM)技術能以較低的器件開關頻率實現較高的等效開關頻率，從而大幅度消除或抑制諧波。

CPS－PWM技術在實際應用中需要多個計數器和眾多路PWM輸出口，其硬件生成比較困難。目前通用的方法用DSP+FPGA或DSP+CPLD 產生多路 CPS－PWM 波形。[2－4]FPGA(CPLD)和 DSP 通過通訊中斷來配合工作，二者通訊時鐘不易同步，DSP傳輸給FPGA(CPLD)的數據容易丟失，很難統一各路CPS－PWM的時序。文獻[5]提出的基于中斷控制的離散自然采樣算法，解決了基于DSP的CPS－PWM信號生成的實時性問題，但各路PWM信號均由軟件實現，DSP負擔過重，信號生成程序采用匯編語言編程，可移植性差。

本文研制的基于TMS320F2812實現的多路移相PWM脈沖發生器，通過事件管理器硬件實現與CPU軟件實現相結合，基于2812的多任務中斷時序，可直接在2812的多個GPIO復用管腳輸出多路移相PWM信號，簡化了控制系統。并基于該PWM發生器，完成了級聯單相七電平逆變器的載波移相實驗。實驗證明該PWM發生器簡化了硬件電路的設計，為CPS－PWM技術的實用化提供了新的思路。

1 CPS-PWM調制原理

CPS－PWM調制技術的基本原理為:在逆變器單元數為N的電壓型PWM級聯多電平逆變器中，各逆變器單元采用共同的調制波信號，將各逆變器單元的三角載波的初始相位相互錯開三角載波周期 Tc的1/(2 N)。為提高輸出電平數，每個逆變器單元的輸出都是兩個初相位相差 Tc/2的三角載波與調制波相交產生的PWM信號的疊加，即每個單元的輸出為三電平信號。則 N個逆變單元構成的級聯型變流器輸出電平數為2 N+1，采用CPS－PWM調制技術的 N單元級聯逆變器輸出信號電壓提高 N倍，呈線性放大，等效開關頻率提高2 N倍[6]。

正弦調制波頻率為50Hz，三角載波頻率為7.5kHz，調制度為0.8，單相級聯三單元逆變器的MATLAB仿真輸出電壓波形如圖1所示。

圖1 三單元級聯CPS－PWM逆變器仿真波形

由圖1可以看出，采用CPS－PWM技術三單元級聯輸出電壓波形為7電平的階梯波，比三電平更接近于正弦。幅值最大的高次諧波集中在45kHz左右，即等效開關頻率為單元開關頻率的6倍。

2 CPS-PWM調制算法

數字控制系統中常采用規則采樣法、不對稱規則采樣法、自然采樣法和指定諧波消除法等多種軟件算法來確定逆變器功率開關器件的開關時刻。不對稱規則采樣法實際是改進的規則采樣法，其在一個載波周期內在三角波的頂點和底點時刻分別計算出脈沖的開關時刻及脈沖寬度，計算量較規則采樣法增加一倍，但所形成的PWM波形的等效性更接近于調制波。

圖2 不對稱規則采樣原理圖

圖2所示為基本單元PWM脈寬計算原理，設調制波為正弦波，則在計算點為載波頂點時脈寬為:

計算點為載波底點時脈寬為:

式(1)及(2)中，Tc為載波周期，M為調制度，F為載波比。則一個載波周期內脈寬為:

若某個逆變單元與基本單元的三角載波相位差為 Tc/2 N，則計算點為載波頂點時的脈寬為:

計算點為載波底點時的脈寬為:

則此時PWM脈寬為:

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3 CPS-PWM的DSP實現

TMS320F2812是高速DSP芯片，利用內置的兩個EV事件管理器模塊中的6個完全比較單元和通用定時器1和3，可以方便地產生12路帶有可編程死區和輸出極性的PWM波。EVA及EVB事件管理器屬于DSP芯片的外部模塊，占用CPU的時間少，編程方便靈活。

實現不對稱規則采樣的PWM信號輸出，需共同使用EVA事件管理器的定時器T1周期中斷和T1下溢中斷(對EVB而言為定時器T3周期中斷和T3下溢中斷)。T1周期中斷程序計算載波頂點脈寬數據，并重新裝載完全比較寄存器CMPRx的值(x=1，2，3對于EVB為CMPRy且y=4，5，6);T1下溢中斷程序計算載波底點脈寬數據，并重新裝載完全比較寄存器CMPRx的值。一個載波周期內PWM脈寬由T1周期中斷和T1下溢中斷順序配合完成。

2812芯片上6個完全比較單元只受兩個獨立的定時器控制，只能產生2列獨立的載波;設置定時器T1和T3不同的計時初始值，可輸出兩列載波相位相差0～Tc/2的PWM信號。通過CPS－PWM調制的對稱優化，即用調制波反相的PWM信號可代替載波移相 Tc/2的PWM信號，可實現單相5電平輸出[5]。調制波反相只需將上述脈寬公式中調制度M前的加法運算改為減法運算便可。

為實現單相7電平以上的CPS－PWM輸出，解決單片2812硬件產生CPS－PWM信號不足的困難，本文采用了一種基于軟件計算的CPS－PWM生成法。其基本思路是在事件管理器生成的各列PWM信號中，根據擴展的需要選擇參考信號，進行插值計算，由2812CPU子程序生成新的CPS－PWM信號。

以實現單相7電平所需的6列PWM信號為例，先設定2812硬件生成4列 PWM1、PWM3、PWM7、PWM9信號(對應的互補信號為PWM2、PWM4、PWM8、PWM10)。PWM1載波相位超前 PWM3的載波相位 Tc/2，PWM7載波相位超前 PWM9的載波相位 Tc/2，PWM1載波相位超前PWM7的載波相位 Tc/6。主程序中初始化GPIO時，將空閑的PWM5、PWM6、PWM11及PWM12預設為通用輸出管腳，T1PWM、T2PWM、T3PWM和T4PWM預設為通用輸入管腳。選擇 PWM7、PWM9信號作為參考信號，連接管腳 PWM7到T1PWM，PWM9到T3PWM，由2812CPU子程序生成對應滯后移相Tc/6的 PWM5、PWM11信號(對應的互補信號為 PWM6、PWM12)。

主程序中需調用2812CpuTimer0定時器的TINT0中斷，事件管理器T1、T3的周期中斷T1PINT、T3PINT及下溢中斷T1UFINT、T3UFINT。在TINT0中斷程序中生成軟件PWM信號;周期中斷T1PINT、T3PINT和下溢中斷T1UFINT、T3UFINT，除執行硬件生成PWM所需功能外，還提前計算PWM5、PWM11對應的脈寬數據。

TINT0中斷程序簡略流程圖如圖3，圖中僅畫出生成PWM5信號的流程。T0Counter為中斷計數變量，Stamp5 H為PWM5高電平計時變量，Stamp5 L為PWM5低電平計時變量。程序中檢測T1PWM管腳高低電平值，當T1PWM管腳由低電平翻轉為高電平時，將當時的T0Counter值賦給Stamp5 H;當T1PWM管腳由高電平翻轉為低電平時，將當時的T0Counter值賦給Stamp5 L。

圖3 TINT0中斷程序流程圖

而低電平時間值Delay5 L為:

當滿足 T0Counter－Stamp5 H=Delay5 H/時，對GPADAT數據寄存器bit位GPIOA4置1，PWM5管腳跳變為高電平;當滿足T0Counter－Stamp5 L=Delay5 L時，對GPADAT數據寄存器bit位GPIOA4置0，PWM5管腳跳變為低電平。

當 T0Counter計數到設定的最大值max(為調制波周期以T_CpuTimer0為基數換算取整值的整數倍)時，將所有計時變量復位，開始新的循環。

以此類推，經設定可在PWM6、PWM11及PWM12管腳輸出所需的PWM信號。

4 單相級聯七電平逆變器實驗

圖4為單相級聯多電平實驗裝置系統框圖，系統采用事件管理器硬件實現與CPU軟件實現相結合，在2812的12個GPIO復用管腳，輸出了單相七電平所需的6組12路PWM信號。12路PWM信號經功率管隔離驅動芯片EB841放大后，去控制由IGBT模塊2MBI50L－120組成的單相級聯七電平逆變器。

圖4 單相級聯多電平實驗裝置系統框圖

實驗中正弦調制波頻率為50Hz，三角載波頻率為7.5kHz。CpuTimer0定時器的定時值設定為1.5μs。用TEK2000示波器測得的PWM信號如圖5所示。其中通道1為硬件實現的PWM7信號，通道2為軟件實現的 PWM5信號，PWM5滯后 PWM7約為23μs，與 CPS－PWM調制技術要求的相位差 Tc/6(22.2μs)十分接近。

圖5 PWM信號波形圖

逆變器輸出電壓波形如圖6所示，與理論分析和圖1中的仿真波形相符。

圖6 單相級聯7電平輸出電壓波形圖

5 結論

實驗結果表明，基于TMS320F2812硬件實現與軟件實現相結合的CPS－PWM 信 號 發生器，簡化了硬件電路的設計，算法程序簡潔，且易于擴展。

實際工程中，級聯多電平逆變器作為高壓大功率逆變器，多使用大功率IGBT作為功率開關管，為避免過大的開關損耗，大功率IGBT的開關頻率不易太高，基本都在10kHz以下，本文研制的CPS－PWM脈沖發生器，完全可滿足級聯多電平逆變器工程的實時性要求。

[1] 吳洪洋.級聯型多電平逆變器PWM控制方法的仿真研究[J].中國電機工程學報，2001，21(8):42 ～46.

[2] 王成元.載波移相技術的FPGA實現方法[J].電力電子技術，2007，41(5):26～28.

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[5] 朱凌.基于DSP的載波移相多電平SPWM實現方法[J].華北電力大學學報，2004，31(5):21～25.

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