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1 PWM控制基本原理
我们目前很多电力应用都是采用的正弦交流电,下面我们就来看一下如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等份,就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。
如图所示,这些脉冲宽度相等,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平直线,而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲的相应的正弦波部分面积(冲量)相等,就得到图所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出,各脉冲的幅值相等,而宽度是按正弦规律变化
根据面积等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称SPWM(Sinusoidal PWM)波形。
要改变等效输出正弦波的幅值时,只要按照同一比例系数改变上述各脉冲宽度即可。
2 PWM控制的应用
PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种,微控制器输出的电平一般都是确定的,所以一般调整微控制器输出矩形脉冲的占空比,就可以输出等幅不等宽的PWM波,微控制器输出的PWM波功率有限,主要是用来驱动功率开关管的。通过对功率开关器件的开关控制,可以输出更大功率更多形状的PWM波形,将功率开关器件的开关拓扑逻辑组合变化,就可以输出不等幅即多电平的大功率PWM波形。PWM就像大功率DA转换器一样,将数字信号转换为模拟信号,只是PWM是用调制脉宽的方法来将数字信号等效替代模拟信号。也可以认为PWM电路就是一类特殊DA电路。
PWM控制一般就包括两部分电路,一部分是功率开关管组成的功率电路,另一部分是由微控制器组成的来驱动开关管的驱动电路。微控制器产生的单周期PWM驱动信号本身很简单,主要包括四个要素,周期、脉宽、脉冲相位、脉冲个数,但是每个周期的脉冲波形的宽度会变化,有时对脉冲的具体相位也有要求,脉冲宽度如何具体调制,这就要根据具体的控制场合以及功率电路来进行算法研发,详情要参照PWM控制相关技术,我们下边主要介绍的是F28335如何产生最初的这个脉冲波形,并且每个周期的脉冲波形宽度以及具体相位都是可以配置和调整的。
目前PWM控制技术应用已经极为广泛,在电机拖动、电机控制、整流、逆变、有源电力滤波(APF)、静止无功发生器(SVG)、统一潮流控制器(UPFC)、超导储能(SMES)、LED调光、开关电源等众多领域都有重要应用。
3 TMS320F28335的ePWM结构及组成单元
F28335的PWM模块是加强模块,这个加强表现在它各个ePWM的独立性,每个ePWM小模块都由两路ePWM输出组成,分别为ePWMxA和ePWMxB,
这一对PWM输出,可以配置成三种输出
- 两路独立的单边沿PWM输出
- 两路独立的但互相对称的双边沿PWM输出
- 一对双边沿非对称的PWM输出
F28335共有6对这样ePWM模块,因为每对PWM模块中的两个PWM输出均可以单独使用,所以也可以认为有12路单路ePWM。
另外还有6路加强版PWM,是通过CAP模块配置而来,所以F28335可以认为由18路PWM输出,这是非常强大的。
结构图如下图所示:
总体而言,PWM模块是由七个模块组成,
- 时基模块 TB
- 比较计数模块 CC
- 动作模块 AQ
- 死区模块 DB
- PWM斩波模块 PC
- 事件触发模块 ET
- 联防模块 TZ
每个模块各自作用如下:
TB :为输出PWM产生始终基准TBCLK,配置PWM的时钟基准计数器TBCTR,设置计数器的计数模式,配置硬件或软件同步时钟基准计数器,确定ePWM同步信号输出源;
CC:确定PWM占空比,以及ePWM输出高低电平切换时间;
AQ:确定计数器和比较寄存器匹配时产生动作,即ePWM 高低电平的切换;
DB:配置输出PWM上升沿或下降沿延时时间,也可以将A、B两通道配置成互补模式,我做的逆变器就是将ePWM配置成互补模式。死区时间可以编程确定;
PC:产生高频PWM载波信号;
TZ:当外部有错误信号产生时,对PWM输出进行相应处理,比如全置高,或拉低,或置为高阻态,从而起到保护作用。当然该功能也可以通过软件强制产生;
EZ:使能ePWM中断,使能ePWM触发ADC采样,确定事件产生触发的速度和清除相关事件标志位。
ePWM模块的7个模块就像一条生产线,一级一级的经过,但DSP更高级,可以实现通过配置,使得ePWM只经过我选择的生产线,没有被选择上的就不要经过。例如,死区控制模块可以需要也可以不需要,这就看实际系统需不需要了。在实际使用ePWM时,正常的发出PWM波往往只要要配置TB、CC、AQ、DB、ET五个模块。
小结:
因为我们是做控制的,PWM模块是重中之重。PWM的原理我们了解即可,在F28335的应用中最主要的还是这七个模块的配置。PWM最基本的属性周期频率,幅值,占空比,死区时间,故障保护还有与其他ePWM模块的配合,都是通过配置以上模块中的寄存器来实现的,在我们能够了解这些原理之后,做实验自己配置下载到芯片中,并在示波器里观察波形,这样才能做到熟悉和了解,后面的文章将具体的记载ePWM各个模块的寄存器配置。