基于TMS320F240的多種PWM實現(xiàn)

摘要：脈寬調制PWM在諸如電梯、電機等控制系統(tǒng)中有著廣泛的應用，其中一個重要的原因就是PWM實現(xiàn)了模擬控制的數(shù)字化，而產(chǎn)生PWM的方法比較簡單而且靈活。本文就美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320F240數(shù)字信號算是器，詳盡介紹基提供的有關PWM的硬件資源以及使用方法。用該DSP既可滿足需要一般的對稱或非對稱PWM波形的場合，也可滿足需要比較復雜的空間矢量（space vector）PWM的應用場合。

關鍵詞：數(shù)字信號處理器 PWM 工業(yè)控制

1 概述

在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖脈沖在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。我們把正弦半波看成由N個等時間寬度的彼此相連的脈沖組成的波形。這些脈沖的幅度按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等時間寬度的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相就的正弦部分面積（沖量）相等，那么，將該等幅而不等寬的脈沖施加于被控對象上，可以起到對被替代的正弦半波的控制效果。這些等幅而不等寬的脈沖就叫PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調制）波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化且與正弦波沖量等效的PWM波形也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形。

脈寬調制信號是脈寬變化的一系列脈沖。脈沖持續(xù)若干固定的周期，每個周期內只有1個脈沖。那個固定的周期稱為PWM（載波）周期。PWM脈沖的寬度由另一個稱為調制信號的序列決定或調制。在電機控制中，PWM信號用來控制開關功率器件的通斷時間，傳遞所需的能量給電機繞組。相電流和相電壓的波形和頻率以及傳遞給電機的繞組的能量決定了電機的速度和轉矩。施加于電機命令電流或電壓叫調制信號。調制信號的頻率一般比PWM載波的頻率低得多。

2 TMS320F240內嵌的有關PWM的硬件資源

TMS320F240是美國Texas Instrument公司制造的專門用于滿足控制方面需要DSP芯片。它的內部集成了高性能的DSP核和片內外設模塊，使用1片這樣的DSP即可解決原來利用多個器件和MCU單片機還難以完成的任務。尤其是其內部嵌入的事件管理器EV（Event Manager），資源豐富，包含有產(chǎn)生PWM波形的多種硬件資源：

*12個比較/PWM通道（9個為獨立的，即非復用的）；

*3個16位通用定時器，可以工作于連續(xù)遞增、連續(xù)遞減等6種模式；

*3個16位全比較器，提供死區(qū)設置功能；

*3個16位單比較器。

從圖1可以看出，事件管理器模塊有12個比較/PWM輸出引腳。事件管理器模塊所有的寄存器都映射到數(shù)據(jù)存儲區(qū)。這些寄存器分為三部分：通用定時器的寄存器（12個）；全比較和單比較單元的寄存器（10個）；事件管理器模塊的中斷寄存器（9個）等。為了產(chǎn)生PWM信號，需要1個計數(shù)器重復對應于PWM周期的計數(shù)，1個比較器保存調制值。比較器不斷地與定時計數(shù)器的值比較。當值相等時，輸出引腳發(fā)生電平躍變；當值第2次相等時或計數(shù)到達周期值時，輸出引腳又發(fā)生電平躍變。對于每一個定時周期，改變對應于調制值的比較器的值，即可得到不同脈沖寬度的信號。

每個通用定時器比較單元可產(chǎn)生基于其自己的定時器的PWM輸出波形。

3 個單比較器單元以及通用定時器1或2可以產(chǎn)生另外3路PWM輸出，可以應用于沒有死區(qū)要求或用片外的其它電路構成死區(qū)的場合。

全比較器單元的任何一個以及通用定時器1、死區(qū)單元和輸出邏輯，可以產(chǎn)生一對死區(qū)和極性可編程的PWM信號。這非常適合應用于三相感應到無刷電機中。

以下就每個部分分別作一介紹。

3 多種PWM的實現(xiàn)

3.1 利用EV中的通用定時器GP產(chǎn)生PWM

如圖2所示，3個定時器可以用來作為獨立的時間基準（圖中x=1,2,3）。它們可以：

*作為控制系統(tǒng)中的采樣周期；

*為全比較和單比較單元的工作以及它們相關連PWM電路提供時間基準，以產(chǎn)生需要的比較/PWM輸出。

邏輯控制寄存器TxCON的bit位設置定時器x(x=1,2,3)的計數(shù)方式，TxCON的bit6=“1”，使能定時器x，定時器x則開始按照其它bit位所設置的方式開始計數(shù)。每一個通用定時器都有1個相關聯(lián)的比較寄存器TxCMPR和1個比較/PWM輸出引腳TxPWM/TxCMP。計數(shù)器內部的值不斷地與對應的比較寄存器的值進行比較，當兩者相等的時候，產(chǎn)生1個比較匹配事件。當TcCON[1]=“1”，則產(chǎn)生下列動作：

*比較中斷標志置位；

*若計數(shù)方式不是直接加減方式，則相關聯(lián)的比較/PWM輸出引腳上將產(chǎn)生電平變化（具體變化由GPTCON決定）。

如果通用定時器的比較工作被禁止，則比較/PWM輸出引腳上呈現(xiàn)高阻態(tài)，上述動作不會發(fā)生。

3.2 利用EV中的單比較器模塊（simple compare）產(chǎn)生PWM

從圖1可以看出，事件管理器中有3個單比較單元。每個單比較單元有1個相關聯(lián)的比較/PWM輸出引腳。單比較單元的時間基準由通用定時器1或2提供。單比較單元框圖如圖3所示。它與全比較器共用1個比較控制寄存器COMCON，圖3中沒有畫出，通過設置COMCON的相應的bit位，可以使能/禁止單比較器的比較工作、使能/禁止單比較器的輸出、選擇單比較器的時基等。

3.3 利用EV中的全比較器模塊（full compare）產(chǎn)生PWM

從圖1可以看出，事件管理器中有3個全比較單元。每個全比較單元有3個全比較單元。每個全比較單元有2個相關聯(lián)的比較/PWM輸出引腳。全比較單元的時間基準由通用定時器1提供，如框圖4所示。它與單比較器共用1個比較控制寄存器COMCON，圖4中沒有畫出。通過設置COMCON的相應的bit位，可以使能/禁止全比較器的工作、使能/禁止全比較器的輸出等。

全比較單元的工作模式同樣由COMCON寄存器來設置。它的工作模式可分為“COMPARE模式”和“PWM模式”。當全比較單元工作于“COMPARE模式”時，其輸入引腳可以分別地被控制為“電平保持”/“置高”/“置低”/“依比較事件而高低變化”等多種輸出形式；當全比較單元工作于“PWM模式”時，它由不同的控制寄存器控制，并且最終的輸出還受到死區(qū)單元和空間矢量PWM的影響（參見圖5）。除此之外，全比較單元的“PWM模式”基本與通用定時器的比較方式相同。

3.4 利用全比較器的PWM工作模式

與全比較器單元相關聯(lián)PWM電路能夠產(chǎn)生6路死區(qū)和極性可編程的PWM，如圖5所示。

圖5中的所謂非對稱PWM就是一個定時器周期內只有1個“占”和1個“空”。所謂對稱PWM就是脈沖位于1個周期的中間，即中間為“占”，兩邊為“空”。EV中的每一個比較單元均可產(chǎn)生對稱或非對稱的PWM。下面以全比較單元為例，對產(chǎn)生對稱和非對稱PWM作一討論。

為了產(chǎn)生非對稱的PWM，要求GP TIMER1設置為連續(xù)遞增計數(shù)模式、預置周期寄存器的數(shù)值、設置COMCON為使能比較、預置DBTCON的數(shù)值（若對死區(qū)有要求），然后適當?shù)嘏渲肁CTR即可產(chǎn)生一個非對稱的PWM信號。

GP定時器1啟動以后，在每個PWM周期，比較寄存器以其影像單元的數(shù)值覆蓋自身。由于比較寄存器、動作寄存器和周期寄存器都有鏡像單元（帶影像），所以，新數(shù)值可以在一個周期內的任何時間寫入這些寄存器以及分別改變脈寬、PWM周期和PWM輸出的定義。

為了產(chǎn)生對稱的PWM，則要求GP定時器1設置為連續(xù)遞增/減計數(shù)模式，其它與產(chǎn)生非對稱PWM類似。不對1個周期內有2次比較匹配點，一次是在遞增過程，一次是遞減過程。新的比較值可以在匹配點之后發(fā)生作用，這樣可提高或滯后PWM的第2個沿。

3.5 空間矢量PWM

對于圖6而言，空間矢量PWM是指6個功率晶體管開/組合方案。圖6中Va、Vb、Vc是施加工電機繞組的電壓。為使功率晶體管工作于安全狀態(tài)，DTPHx和DTPHx_應成反相關系。3組PWM輸出DTPHx和DTPHx_應成反相關系。3組PWM輸出DTRHx和DTPHx_(x=a,b,c)控制著6個晶體管的開/關，進而改變Va、Vb、Vc的大小。所以，可利用DTPHa、DTPHb和DTPHc的狀態(tài)改變施加到電機的線電壓Vout。相電壓的取值可以用DTPHa、DTPHb和DTPHc的8種有效狀態(tài)S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8來對應映射。由狀態(tài)S1→S2→S3→S4→S5→S6→S7→S8構成循環(huán)的1個周期，即360°。在一個極坐標上，將每個狀態(tài)Sx用一個矢量表示，則由狀態(tài)S1→S2…→S8所對應的輸出PWM稱為空間矢量PWM。

利用PWS320F240內置的EV苛以很容易地實現(xiàn)對稱空間矢量PWM。方法如下：

*配置ACTR，以定義全比較輸出引腳的極性；

*配置COMCON，以使能比較、設置空間矢量PWM模式、設置ACTR和CMPx重載的條件；

*設置GP定時器1為連續(xù)遞增/減模式，啟動計數(shù)動作。限于篇幅，有關空間矢量PWM更詳細的內容在此不再多述，本人將另文介紹。