TMS320F2812在PWM型开关电源设计中的应用

TMS320F2812在PWM型开关电源设计中的应用2主要内容一、TMS320F2812简介二、PWM型开关电源简介三、利用TMS320F2812产生SPWM波形3一、TMS320F2812简介4TMS320C2000系列DSP控制器，具有很好的性能，集成了Flash存储器，具有A/D转换器以及可靠的CAN模块，主要应用于数字化的控制。价格低廉，具有很高的性能和适用于控制领域的功能。因此在电机控制、工业自动化、家用电器和消费电子等多领域得到广泛的应用。1.TMS320F2812简介5TMS320C2000系列中，TI公司推出了两个子系列C24x和C28x，其中C28x是目前数字控制领域中性能最高的DSP芯片。TMS320x2000系列中F系列和C系列的区别：F系列带有Flash存储器，而C系列没有；F系列程序存储器可重复编程，反复擦写。1.TMS320F2812简介6TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片，兼容TMS320F2407指令系统，最高可在150MHz主频下工作。TMS320F2812在TMS320系列的基础上有以下特点：①高性能12位模/数转换器（ADC）的转换时间为80ns，提供多达16路的模拟输入；②基于TMS320C2000系列的CPU核保证了其与TMS320系列DSP的代码兼容；③具有两个事件管理器模块EVA和EVB；④高达64K的Flash程序存储器，18K的RAM；⑤六个外部中断（两个驱动保护、复位和三个可屏蔽中断）1.TMS320F2812简介7TMS320F2812片内外设带有两个事件管理模块EVA和EVB，为用户提供了众多的功能，使得它特别适合于运动控制和电动机控制等领域。每个事件管理器包括通用（GP）定时器、全比较器PWM单元、捕获单元及正交脉冲编码电路（QEP）。每个事件管理器均可提供两个16位通用定时器和八个16位的PWM通道，可以产生对称、非对称和空间矢量PWM波形。在电动机驱动控制中，当功率管需要互补控制时，每个事件管理器能共控制一组三相桥，同时每个事件管理器还提供两路附加的PWM信号输出。关于事件管理器模块8二、PWM型开关电源简介9稳压电源：能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置稳压电源1.线性电源与开关电源线性电源开关电源10线性电源：传统电源，是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。图1晶体管串联式线性稳压电源11线性电源：优缺点：线路简单、干扰小，对输入电压和负载变化的响应非常快，稳压性能好。但其功率调整管始终工作在线性放大区，调整管上的功率损耗很大，导致其效率较低，只有20%~40%，且发热损耗严重，所需的散热器体积大、质量大，因此功率体积系数只有20~30W/dm3。另外，对电网电压范围变化的适应性较差。12线性电源的动态响应非常快，稳压性能好，但功率转换效率太低。若能是功率调整管处于开关工作状态，则其效率将大为提高。对图1晶体管串联式线性稳压电源进行改进，可得到晶体管串联式开关稳压电源。图2晶体管串联式开关稳压电源13开关电源：开关电源，是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关段的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，它一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。14开关电源的优缺点：调整管作为开关时，导通时（压降小）几乎不耗能量，关断时电流很小，也几乎不消耗能量，从而大大提高了转换效率，其功率转换效率可达80%以上。152.PWM控制原理图3中开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开。在开关K接通时，输入电源E可通过开关K和滤波电路提供给负载RL为负载提供能量。在开关K关断时为使负载能得到连续的能量开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部分能力储存起来，在开关断开时向负载释放。图3中由电感L电容C2用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L和C2中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量。图3开关电源控制原理图16AB间的电压平均值U0可表示为：由上式可知，开关接通时间和工作周期的比例改变，AB间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整Ton和T的比例，便能使输出电压U0维持不变。改变接通时间Ton和工作周期T比例亦即改变脉冲的占空比。这里选择了开关周期T恒定，通过改变脉冲宽度Ton来改变占空比，这种方式称为脉宽调制方式（PWM），用来实现对电压幅值频率的控制。ETTonU*)/(017三、利用TMS320F2812产生SPWM波形18SPWM(SinusoidalPWM）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法.采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化、而和正弦波等效的PWM波形（即SPWM波形）控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值1.电压正弦PWM（SPWM）的基本思想19如图，把一个电压正弦半波N等分（这里N=5），可以把该正弦半波看成由N个相连的脉冲所组成的波形，这些脉冲宽度相等但幅值不等根据采样控制理论中的面积等效原理，把这些等宽不等幅的脉冲，用相等数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的面积相等，则这些脉冲的宽度是按正弦规律变化的。图b所示的这些脉冲宽度按正弦规律变化、而与正弦波等效的PWM波形，就是希望开关电源的逆变器输出的SPWM波形。由于每个脉冲的幅值相等，所以可对逆变器采用恒定的直流电源供电，而对逆变器各功率开关器件的开通与关断进行控制，其控制波形与图b一致。20在给出逆变器电路所期望输出正弦波的频率、幅值及半个周期内的脉冲个数后，就能准确算出每个PWM波形的脉冲，即间隔。但这种方法计算较为繁琐，在实际应用中通常采用“调制”的方法，把希望得到的正弦波作为调制波，受它调制的信号作为载波。在SPWM调制中，载波通常为等腰三角波，因为等腰三角波的高度与宽度呈线性关系且左右对称，当它与一个正弦波曲线相交时，在交点时刻控制逆变电路中开关器件的通断，就可以得到一组幅值相等而脉冲宽度正比于正弦波曲线函数值的矩形脉冲，这就是SPWM法的基本思想。21产生电压SPWM波的方法：硬件方法和软件方法硬件方法采用专用集成电路，如SA4828，HEF4752，SLE4520等；软件方法是使电路成本最低，通过实时计算来生成软件方法产生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无疑是能满足这一要求的最理想的选择。2.产生电压SPWM波的方法22用软件方法产生电压SPWM信号，需要通过实时计算来生成SPWM波。电压SPWM信号实时计算的数学模型–这里介绍逼近程度最好的不对称规则采样法3.SPWM的DSP控制算法23不对称规则采样法生成SPWM波（1）采样时刻t2（低点）：（2）根据三角形相似，有：（3）toff1=Tc/4-aton1=Tc/4+a采样时刻t1（顶点）：ton2=Tc/4+btoff1=Tc/4-ba/（Tc/4）=Msin𝜔t1b/（Tc/4）=Msin𝜔t224由（3）式解得a、b，代入（1）、（2）得：所以，在一个载波周期内生成的SPWM波的脉宽为：ton=ton1+ton2=Tc/2*（1+M/2*(sin𝝎t1+sin𝝎t2）又每个载波周期采样2次，有：不对称规则采样法生成SPWM波（4）（5）（6）toff1=Tc/4（1-Msin𝜔t1）ton1=Tc/4（1+Msin𝜔t1）ton2=Tc/4（1+Msin𝜔t2）toff2=Tc/4（1-Msin𝜔t2）t1=Tc/2*k（k=0,2,4…，2N-2顶点采样）t2=Tc/2*k（k=1,3,5…，2N-1底点采样）25将𝝎=𝟐𝜋𝒇及t1、t2的表达式代入（4）式中，有以上为生成单相SPWM波形的计算方法。如果要生成三相SPWM波，则需要使一条三角波和三条正弦波分别求交点，且这三条正弦波相位相差120。，即不对称规则采样法生成SPWM波（7）ton1=Tc/4（1+Msin𝜋𝑓TcK）（k=0,2,4…，2N-2）ton2=Tc/4（1+Msin𝜋𝑓TcK）（k=1,3,5…，2N-1）Ua=sin（𝜋𝒇TcK）Ub=sin（𝜋𝒇TcK+2/3𝜋）Uc=sin（𝜋𝒇TcK+4/3𝜋）26所以，对顶点采样：对底点采样：不对称规则采样法生成SPWM波（k=0,2,4…，2N-2）taon1=Tc/4（1+Msin𝜋𝑓TcK）tbon1=Tc/4（1+Msin𝜋𝑓TcK+2/3𝜋）tcon1=Tc/4（1+Msin𝜋𝑓TcK+4/3𝜋）taon2=Tc/4（1+Msin𝜋𝑓TcK）tbon2=Tc/4（1+Msin𝜋𝑓TcK+2/3𝜋）tcon2=Tc/4（1+Msin𝜋𝑓TcK+4/3𝜋）（k=1,3,5…，2N-1）27因此，三相SPWM波的每一相脉宽的计算公式如下不对称规则采样法生成SPWM波taon=taon1+taon2tbon=tbon1+tbon2tcon=tcon1+tcon228在实际控制中，采用DSP实现SPWM输出，可以在DSP的PWM1~12引脚输出占空比符合正弦规律的PWM脉冲波，再经过RC或RL低通滤波后就能输出高精度三相正弦SPWM波形，从而实现三相逆变器的SPWM控制。程序流程图：程序由主程序和定时器中断子程序构成。主程序是一个无限循环结构，它的主要功能是实现系统的初始化，根据中断子程序中给出的比较寄存器的值生成SPWM波，程序流程图如下：4.SPWM的DSP程序设计29主程序流程图30中断子程序流程图中断子程序的主要功能是计算比较寄存器的值，流程图如下：Thankyou!