基于TMS320F28335的單極性SPWM的實現

李 帆，薛士龍，耿 攀，蔣 晨

（上海海事大學 物流工程學院，上海201306）

0 引 言

逆變器作為DC－AC裝置有著廣泛的用途，它可用于各類交通工具，如汽車、各類艦船以及飛行器。在太陽能及風能發電領域，逆變器是將這些能源變成電能的關鍵設備。SPWM（正弦脈寬調制）技術是逆變器核心技術之一，按驅動方式可以分為雙極性和單極性SPWM。

隨著數字控制技術的高速發展，高性能的DSP芯片已經成為逆變器的主流控制器。TMS320F28335是美國TI公司推出的面向工業控制的32位浮點DSP。本文采用Ti公司最新推出的TMS320F28335DSP芯片，完成了單極性SPWM實現，并在逆變器上驗證了程序的可靠性。

1 TMS320F28335的EPWM模塊

TMS320F28335內置6路加強型正弦脈寬調制（EPWM）模塊，該模塊包含時間基準、計數比較、動作限定、死區控制、PWM斬波、錯誤控制、事件觸發等7個子模塊，通過配置不同子模塊內部的寄存器控制SPWM波形輸出［1］。并且它是一款浮點型DSP，可直接參與浮點型數據的運算，在編程時無需加入IQmath算法就可以實現SPWM波的生成。與其他芯片相比，F28335的EPWM 模塊功能更加完善，每路（EPWMxA和EPWMxB）可生成相互獨立的控制脈沖，均可以獨立編程。

在ePWM模塊中有一個動作限定子模塊（AQC），它在波形產生中起到重要作用，它決定輸出波形的高低電平，從而使ePWMxA和ePWMxB輸出所需要的開關波形。動作限定子模塊主要實現的功能有：

（1）基于以下事件限制并產生相應操作

時間基準計數器等于周期（TBCTR＝TBPRD）；

時間基準計數器等于0（TBCTR＝0x0000）；

時間基準計數器等于有效計數比較寄存器A值（TBCTR＝CMPA）；

時間基準計數器等于有效計數比較寄存器B值（TBCTR＝CMPB）。

（2）當事件發生時，管理產生事件的極性（如圖1）

與其他系列的DSP芯片相比（比如TMS320F2812），F28335的ePWM模塊中的死區模塊具有易于配置、可操作性強等突出優點［2］。死區模塊主要有以下功能：

a.每一路ePWMxA／B輸入信號經過死區模塊后都可以產生適當的帶有死區的匹配信號ePWMxA和ePWMxB。

圖1 EPWMxA／B以CMPA為事件基準的輸出波形

b.死區模塊可以設計匹配信號的屬性。匹配信號有高有效、低有效、高有效補償和低有效補償四種。

c.可以分別設置死區的上升沿延遲和下降沿延遲。

通過設置死區的輸入＼輸出模式和極性模式，可以產生多個組合方式，但是并不是所有的組合都是典型的應用模式。典型的死區設置如圖2所示。

圖2 典型死區模式的波形

2 基于TMS320F28335的單極性調制方式的設計

2.1 單極性調制方式

單相全橋逆變電路的拓撲如圖3所示，全橋逆變器的控制方式一般可分為雙極性和單極性兩種。與前者比較，后者具有損耗低、電磁干擾小、開關諧波小等優點。文獻［3］中介紹了在工程實踐中，單極性逆變橋路的四種驅動方式，并將其歸納為單臂斬波驅動和雙臂斬波驅動兩大類，每一類還可分為不帶同臂互補和帶同臂互補。

圖3 單相全橋逆變拓撲

單臂斬波驅動是指在每個周期內，只有一個橋臂的開關管高頻工作，另一橋臂工作在工頻。單臂斬波驅動工作方式如下：橋臂1的上下兩個開關管S1和S4在高頻工作；橋臂2的上下開關管S2和S3在工頻工作。在調制波的正半周期，S3常閉，S1高頻工作；在調制波的負半周期，S2常閉，S4高頻調制。

連續作業樁支護也可以稱為地下連續墻技術，該支護手段成本投入較大，所以僅適用于規模較大的工程類型，一些中小型地下作業則應用頻率較低。在開展地下連續作業之前，技術人員要針對周邊環境、地質、氣候進行大量勘查，確保周邊自然環境、人工建筑、生態氣候不會對工程建設造成不良影響，這個過程執行時需要耗費較長時間，而且對人力資源的綜合素質與專業能力的要求相對較高。但是對于適用的工程來說，該技術可用效果良好，能有效阻擋地下水、砂石等問題對整體工程質量造成的影響，未來發展過程中，技術人員可以針對其優勢，開發新型建筑材料，在減少其成本投入的基礎上，拓寬其應用范圍，保證為我國建筑行業提供更加全面的服務。

同臂互補是指在正半周期，橋臂1的下臂S4原本是常開的，同臂互補以后，受到同臂另一開關管S1的互補信號的控制；同樣，在負半周期，橋臂1的上臂S1原本是常開的，同臂互補后，受到同臂另一開關管S4的互補信號的控制。圖4為單臂斬波驅動的時序圖。

圖4 單極性單臂斬波驅動波形的時序圖

雙臂斬波驅動是指在每個周期內，兩個橋臂均有開關管高頻工作。雙臂斬波驅動工作方式下：橋臂1的上開關管S1和橋臂2的上開關管S2高頻工作，下開關管S4和S3工作在工頻。在調制波的正半周期，S3常閉，S1高頻工作；在調制波的負半周期，S4常閉，S2高頻調制。它的同臂互補是指在正半周期，橋臂1的下臂S4原本是常開的，同臂互補以后，受到同臂另一開關管S1的互補信號的控制；同樣，在負半周期，橋臂2的下臂S3原本是常開的，同臂互補后，受到同臂另一開關管S2的互補信號的控制。圖5為雙臂斬波驅動的時序圖。

圖5 單極性雙臂斬波驅動波形的時序圖

綜上所述，不帶同臂互補的驅動方式是上橋臂開通時，電流通過上橋臂開關管；關斷時，通過下橋臂二極管實現續流。加入同臂互補以后，即在上橋臂關斷以后，通過下橋臂的開關管實現續流。

2.2 程序設計

生成SPWM波的關鍵在于控制周期值（TBPRD）及占空比，按照正弦規律變化生成占空比脈沖序列。通過時間基準子模塊為EPWM模塊提供基準時鐘，并通過設定計數周期和計數模式實現對三角載波信號的模擬。計數比較子模塊周期性，更新比較寄存器（CMPA，CMPB）數值，并通過動作限定子模塊，在定時器計數產生比較中斷或周期中斷控制對應引腳上的電平變化；當比較寄存器的值按正弦規律變化時，即可輸出按正弦規律變化的脈寬信號。通過查表法，先將占空比的數字預先存于表中，通過中斷子程序調取正弦表，更改比較寄存器中的數據，獲取SPWM脈沖序列。

以同臂互補的雙臂斬波驅動為例，EPWM1和EPWM2的時間基準控制寄存器（TBCTL）選擇遞增遞減的計數模式，實現對三角波的模擬，那么載波周期為：

式中，TBCLK為時基時鐘，本文中TBCLK為150 MHz，TBPRD為3 750 s，那么載波頻率為20 kHz。為了使調制波頻率為50 Hz，正弦波中要包含400個點。

表1 EPWM模塊管腳的設置

負半周期比較寄存器值為：

式中，M為調制度；table為正弦表值。

整個程序由主程序和周期中斷程序組成。主程序用于DSP系統的初始化，中斷程序用于更新比較寄存器的值。圖6為周期中斷的流程圖。

圖6 周期中斷流程圖

3 實驗驗證

根據文中的程序設計方法完成DSP程序的編寫，程序調試無誤后燒寫到DSP芯片中。圖7、8分別為仿真波形和實測DSP輸出的波形。從圖中可知，PWM波形的占空比是按正弦規律實時變化的，周期頻率為50 Hz，與程序設定一致。

圖7 Simulink仿真波形

圖8 DSP輸出波形

每一路EPWM模塊中的比較寄存器（CMPA、CMPB）的初始值都設為0，在中斷函數里正半周期比較寄存器值為：

用這套程序在逆變器系統中進行驗證，圖9為逆變器輸出波形，輸出為50 Hz正弦波，與程序設定的一致。

圖9 逆變器輸出波形

4 結 論

本文利用了DSP28335完成了單極性SPWM的實現，程序編程簡單、易于修改。在實驗中，逆變器運行良好，輸出的電壓頻率幅值誤差都在允許范圍內，驗證了本文設計方法的正確性。

［1］周雪松.基于TMS320F28335 DSP的三電平逆變器［J］.電子電子技術，2009，4：21－23.

［2］Texas Instruments.TMS320x28xx，28xxxEnhanced Pulse Width Modu－lator（ePWM）Modle［Z］.2007.

［3］潘文誠.單極性SPWM逆變橋驅動方式研究［J］.浙江科技學院學報，2012，24（3）：201－204.

［4］毛惠豐，陳增祿.SPWM 數字化自然采樣法的理論及脈沖誤差分析［J］.中國電機工程學報，2006，26（9）：131－136.

［5］PONGIANNAN R K，PARAMASIVAM S，YADAIAHN.Dynamically reconfigurable PWM controller for three－phase voltage－source inverters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26（6）：1790－1799.

［6］王 鑫.三相SPWM波在TMS320F28335中的實現［J］.電子設計工程，2013，21（2）：176－178.