PWM算法实现及2000系列DSP实现方法和应用情况

物电学院开关电源技术课程实践报告《PWM算法实现及2000系列DSP实现方法和应用情况》姓名：刘鹏飞学号：131103034学院：物理与电气工程学院日期：2015年12月26日指导老师：邹玉炜PWM算法实现及2000系列DSP实现方法和应用情况刘鹏飞（安阳师范学院物理与电气工程学院，河南安阳455000)摘要：脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。同时，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。本文主要介绍了几种控制PWM的常用方法(如等脉宽PWM法、SPWM法、等面积法等及其特点，其中还概述了2000系列DSP实现PWM波的方法及其在各行业的运用情况。关键词：脉宽调制；事件管理器；通用定时器；寄存器1.引言随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。2.PWM的控制方法2.1等脉宽PWM法VVVF(VariableVoltageVariableFrequency）装置在早期是采用PAM(PulseAmplitudeModulation）控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变其周期，达到调频的效果。改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化.相对于PAM法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。2.2随机PWM随机PWM原理是随机改变开关频率，它的出现是为了使电机电磁噪音近似为限带白噪声，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱.正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值，随机PWM技术正是提供了一个分析，解决这种问题的全新思路。2.3SPWM法SPWM(SinusoidalPWM）法是一种比较成熟的，如今使用较广泛的PWM法.前面提到的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，其效果基本相同的.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。2.4等面积法该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。2.5硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形.其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波.但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。2.6谐振软开关PWM传统的PWM逆变电路中，电力电子开关器件硬开关的工作方式，大的开关电压电流应力以及高的du/dt和di/dt限制了开关器件工作频率的提高，而高频化是电力电子主要发展趋势之一，它能使变换器体积减小，重量减轻，成本下降，性能提高,特别当开关频率在18kHz以上时，噪声将已超过人类听觉范围，使无噪声传动系统成为可能谐振软开关PWM的基本思想是在常规PWM变换谐振软开关PWM的基本思想是在常规PWM变换器拓扑的基础上，附加一个谐振网络，谐振网络一般由谐振电感，谐振电容和功率开关组成.开关转换时，谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程，谐振过程极短，基本不影响PWM技术的实现.从而既器拓扑的基础上，附加一个谐振网络，谐振网络一般由谐振电感，谐振电容和功率开关组成.开关转换时，谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程，谐振过程极短，基本不影响PWM技术的实现。从而既保持了PWM技术的特点，又实现了软开关技术。但由于谐振网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗，并使电路受固有问题的影响，从而限制了该方法的应用。3.2000系列DSP实现PWM的方法3.1应用事件管理器产生PWM波形在事件管理器模块中，3个比较单元的任何一个与通用定时器1或通用定时器3、死区单元以及输出逻辑一起，能够产生一对死区时间和极性可编程的PWM输出。对于每个事件管理器的三个全比较单元，对应六个这样的PWM输出引脚，这六个PWM输出可用于控制三相交流感应电机和无刷直流电机，借助于比较方式控制寄存器，PWM的输出动作可以灵活配置，还可以控制广泛应用的开关磁阻电机和同步磁阻电机。此外，PWM电路还可以方便地用来控制其他类型电动机，如单轴或多轴控制应用中的直流电机或步进电机。3.2用通用定时器产生PWM信号每个通用定时器都可以独立提供一个PWM输出通道，这样每个事件管理器的两个通用定时器可提供两路PWM输出。应用通用定时器产生PWM输出波形时，选择连续递增计数模式时可产生边沿触发或非对称PWM波形，而选择连续增/减计数模式可产生对称PWM波形。4DSP的应用情况PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业，具体讲，包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于如今国家提出的节能减排具有积极意义。4.1PWM软件法控制充电电流该方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。该方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。4.2PWM在推力调制中的应用1962年，Nicklas等提出了脉冲调制理论，指出利用喷气脉冲对航天器控制是简单有效的控制方案，同时能使时间或能量达到最优控制。脉宽调制发动机控制方式是在每一个脉动周期内，通过改变阀门在开或关位置上停留的时间来改变流经阀门的气体流量，从而改变总的推力效果，对于质量流率不变的系统，可以通过脉宽调制技术来获得变推力的效果。脉宽调制通常有两种方法：第一种为整体脉宽调制，对控制对象进行控制器设计，并根据控制要求的作用力大小，对整个系统模型进行动态的数学解算变换，得出固定力输出应该持续作用的时间和开始作用时间；第二种为脉宽调制器，不考虑控制对象模型，而是根据输入进行“动态衰减”性的累加，然后经过某种算法变换后，决定输出所持续的时间。这种方式非常简单，也能达到输出作用近似相同。脉宽调制控制技术结构简单、易于实现、技术比较成熟，俄罗斯已经将其成功地应用于远程火箭的角度稳定系统控制中。但是当调制量为零时，正反向的控制作用相互抵消，控制效率明显比变流率系统低。而且系统响应有一定的滞后，其开关的频率必须远大于KKV本身的固有频率，否则不但起不到调制效果，甚至会发生灾难性后果。5.总结及体会通过这次课程实践让我了解了PWM波的一些产生的方法，虽然对其中的一些控制方法还不是很了解，但至少头脑中有印象，今后和别人交流起来能够有共同的语言，同时我还对DSP有了进一步的了解，DSP比起其它数字处理器来有更强的优越性，尤其是当使用定时器和事件管理器时DSP能够轻而易举地产生出PWM波，控制方法优越且简单。实践中最重要的一点就是我看到了自己的很多不足之处，体现在搜寻和查找资料的能力上，体现在缺乏耐心，特别浮躁上。正所谓知耻而后勇，对待学习我们必须脚踏实地来不得半点虚假，你骗它一分它骗你十分。所以在以后的学习过程中要戒骄戒躁，奋勇拼搏，为今后的学习和工作打下坚实的基础。