【正文】 作水平線和三角波交于 A、 B 點(diǎn)，在 A 點(diǎn)時(shí)刻 tA 和 B 點(diǎn)時(shí)刻 tB 控制器件的通斷，脈沖寬度和 δ 用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。 規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo) ： 正弦調(diào)制信號(hào)波公式中， a 稱為調(diào)制 度， 0≤a＜ 1； ωr 為信號(hào)波角頻率 。 因此可得 ： tau rr sin?? () 三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度 222s in1 cDr Tta ?? ? ? () 同步調(diào)制和異步調(diào)制 在 SPWM 逆變器中，載波頻率 fc 與調(diào)制信號(hào)頻率 fr 之比 N＝ fc/fr，稱為載波比。根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況， SPWM 逆變器調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。 1 異步調(diào)制 載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式即為異步調(diào)制。通常保持載波頻率 fc 固定不變，當(dāng)調(diào)制信號(hào)頻率 fr 變化時(shí)，載波比 N 是變化的。當(dāng) fr 較低時(shí) ， N 較 大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小，當(dāng) fr 增高時(shí)， N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少， PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大，還會(huì)出現(xiàn)脈沖的跳動(dòng)。同時(shí)，輸出波形和正弦波之間的差異也變大，電路輸出特性變壞。對(duì)于三相逆變器來(lái)說(shuō)，三相輸出的對(duì)稱性也變差。因此，在采用異步調(diào)制方式時(shí)，希望盡量提高載波頻率，以使在調(diào)制信號(hào)頻率較高時(shí)仍能保持較大的載波比，從而改善輸出特性。 2 同步調(diào)制 載波比 N 等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。在同步調(diào)制方式中， fr 變化時(shí) N 不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈 沖數(shù)固定。在三相 SPWM 逆變電路中通常共用一個(gè)三角波載波，且取 N 為 3 的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱。 3 分段同步調(diào)制 為了克服上述缺點(diǎn)，通常采用分段同步調(diào)制的方法，即把 fr 范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持 N 恒定，不同頻段 N 不同。在 fr 高的頻段采用較低的 N，使載波頻率不致過(guò)高；在 fr 低的頻段采用較高的 N，使載波頻率不致過(guò)低；為防止 fc 在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法。 同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)?？稍诘皖l輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái) ，和分段同步方式效果接近。 TMS320F2812DSP PWM 信號(hào)的產(chǎn)生 為產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，定時(shí)器需要重復(fù)按照 PWM 周期進(jìn)行計(jì)數(shù)。比較寄存器用于保持調(diào)制值，該值一直與定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值相比較，當(dāng)兩個(gè)值匹配時(shí)， PWM 輸出就會(huì)產(chǎn)生跳變。當(dāng)兩個(gè)值產(chǎn)生第二次匹配或定時(shí)器周期結(jié)束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生第二次輸出跳變。通過(guò)這種方式可以產(chǎn)生周期與比較寄存器值成比例的脈沖信號(hào)。在比較單元中重復(fù)完成計(jì)數(shù)、匹配輸出的過(guò)程，就產(chǎn)生了 PWM 信號(hào)。 第三章 系統(tǒng)組成及各部分原理 系統(tǒng)控制方案 系統(tǒng)使用的是 DSP 作 為控制器，采用單片機(jī)產(chǎn)生 SPWM 波控制全橋逆變電路中的 4 個(gè)全控型器件 IGBT 的導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)產(chǎn)生逆變，并通過(guò)其內(nèi)部自帶的 8 位高精度 A/D 轉(zhuǎn)換模塊采樣負(fù)載兩端電壓，該負(fù)載兩端的電壓是經(jīng)過(guò)降壓和整流之后的，然后送到單片機(jī)中進(jìn)行處理，該系統(tǒng)采用 BANG—BANG 控制理論思想，通過(guò)對(duì)軟件的合理優(yōu)化配置，使系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的達(dá)到設(shè)定值，并具有很高的抗干擾能力。 系統(tǒng)框圖 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 主電路硬件結(jié)構(gòu)及工作原理 本次設(shè)計(jì)采用直流信號(hào)源，并經(jīng)過(guò)大電容穩(wěn)壓之后，送給晶閘管進(jìn)行逆變，主電 路采用電壓源型全橋逆變電路和 LC 濾波電路，其中控制方式采用正弦脈寬調(diào)試 SPWM， DSP 產(chǎn)生一路 SPWM 信號(hào)，控制其中的一對(duì)晶閘管，另一對(duì)晶閘管的控制方式為上一 SPWM 信號(hào)的取反，并且其間加有硬件死區(qū)電路，以避免上下兩橋臂同時(shí)導(dǎo)通，造成直流側(cè)短路。開關(guān)管S1,S4 門極送第一個(gè) SPWM 信號(hào)， S2， S3 送第二個(gè) SPWM 信號(hào)，分別控制 4 個(gè) IGBT 在不通時(shí)刻導(dǎo)通與關(guān)斷，從而產(chǎn)生交流電壓。交流電壓經(jīng)過(guò) RC 濾波電路進(jìn)行高次諧波的濾除，輸出為正弦交流電壓。 開關(guān)過(guò)程分析：某一時(shí)刻，開關(guān) S S4 閉合 ,S S3 關(guān)斷 ,負(fù)載電 壓 uo 為正；下一時(shí)刻，當(dāng)開關(guān) S S4 關(guān)斷 ,S S3 閉合， uo 為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。 圖 32 系統(tǒng)總體電路圖 系統(tǒng)各級(jí)供電電源設(shè)計(jì) IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 M57962L 供電電源設(shè)計(jì) 每一個(gè)晶閘管都需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，其驅(qū)動(dòng)電路中的電源要分開進(jìn)行供給，故需要設(shè)計(jì)四路分開的 15v 直流電壓。 圖 33 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路供電電源設(shè)計(jì) IGBT 的特點(diǎn)及選取 IGBT 也稱為絕緣柵雙極晶體管，綜合了 GTR 和 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。因此，自從其 1986 年開始投入市場(chǎng)，就迅速擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域，目前以取代了原來(lái) GTR 和GTO 的市場(chǎng)，成為中、大功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。 IGBT 也是三端器件，具有柵極 G、集電極 C 和發(fā)射極 E。 PNP 晶體管與 N 溝道 MOSFET組合而成的 IGBT 成為 N 溝道 IGBT，記為 NIGBT 如圖（ a),相應(yīng)的還有 P 溝道 IGBT，記為PIGBT 如圖（ b)。 IGBT 的電氣圖形符號(hào) IGBT 的主要特點(diǎn)： ⑴ IGBT 開關(guān)速度高。開關(guān)損耗小。有資料表明，在電壓 1000V 以上時(shí)， IGBT 的開關(guān)損耗只有 GTR 的 101 ，與電力 MOSFET 相當(dāng)。 ⑵ 在相同電壓和電流額定的情況下， IGBT 的安全工作區(qū)比 GTR 大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。 ⑶ 高壓 時(shí) IGBT 的同態(tài)壓降比 VDMOSFET 低，特別是在電流較大的區(qū)域。 ⑷ IGBT 的輸入阻抗高，其輸入特性與電力 MOSFET 類似。 ⑸ 與電力 MOSFET 和 GTR 相比， IGBT 的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)可保持開關(guān)頻率高的特性。 IGBT 的主要參數(shù) ⑴ 最大集射極間電壓 UCSE，這是由 器件內(nèi)部的 PNP 晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。 ⑵ 最大集電極電流，包括額定直流電流 IC 和 1ms 脈寬最大電流 ICP。 ⑶ 最大集電極功耗 PCM，在正常溫度工作下允許的最大耗散功率。 根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗可以確定 IGBT 在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍，即正向偏置安全工作區(qū)；根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率 duCE/dt， 可以確定 IGBT 在阻斷工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍，即反向偏置安全工作區(qū)。 TMS320F2812 DSP 簡(jiǎn)介 DSP 的概念 數(shù)字信號(hào)處理 (Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱 DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過(guò)使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里， 數(shù)字信號(hào) 處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、 Freescale 等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。 DSP 微處理器（芯片）一般具有如下主要特點(diǎn)： （ 1）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； （ 2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)； （ 3）片內(nèi)具有快速 RAM，通常可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)； （ 4）具有低開銷或無(wú)開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； （ 5）快速的中斷處理和硬件 I/O 支持； （ 6）具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器； （ 7）可以并 行執(zhí)行多個(gè)操作； （ 8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 DSP 優(yōu)點(diǎn) : ○ 1 對(duì)元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部因素影響??； ○ 2 容易實(shí)現(xiàn)集成； VLSI ○ 3 可以分時(shí)復(fù)用，共享處理器； ○ 4 方便調(diào)整處理器的系數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波； ○ 5 可實(shí)現(xiàn)模擬處理不能實(shí)現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、級(jí)聯(lián)、易于存儲(chǔ)等； ○ 6 可用于頻率非常低的信號(hào)。 DSP 缺點(diǎn) : ○ 1 需要模數(shù)轉(zhuǎn)換； ○ 2 受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限； ○ 3 數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒(méi)有無(wú)源設(shè)備可靠。 ○ 4 但是其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)缺點(diǎn)。 DSP 的相關(guān)應(yīng)用 1． 信號(hào)處理：數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、 FFT、 Hilbert 變換、相關(guān)運(yùn)算、頻譜分析、卷積 、 模式匹配、窗函數(shù)、波形產(chǎn) 生等。 2． 語(yǔ)音處理：語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、 語(yǔ)音識(shí)別 、語(yǔ)音增強(qiáng)、語(yǔ)音郵件、語(yǔ)音儲(chǔ)存等。 3． 圖像 /圖形：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識(shí)別、動(dòng)畫、機(jī)器人視覺(jué)、多媒體 、電子地圖、圖像增強(qiáng)等。 4． 軍事：保密通信、 雷達(dá)處理、聲吶處理、導(dǎo)航、全球定位、跳頻電臺(tái)、搜索和反搜索等。 5． 儀器儀表：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、地震處理等。 6． 自動(dòng)控制：控制、深空作業(yè)、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制等。 7． 醫(yī)療：助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)、心電圖等。 8． 家用電器：數(shù)字音響、數(shù)字電視、可視電話、音樂(lè)合成、音調(diào)控制、玩具與游戲等。 9． 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理舉例： 10． CT：計(jì)算機(jī) X 射線斷層攝影裝置。（其中發(fā)明頭顱 CT 英國(guó) EMI 公司的豪斯菲爾德獲諾貝爾獎(jiǎng)。） 11． CAT：計(jì)算機(jī) X 射線空間重建裝置。出現(xiàn)全身掃描，心臟活動(dòng)立體圖形，腦腫瘤異物，人體軀干 圖像重建。 12． 心電圖分析。 A/D 轉(zhuǎn)化單元概述 A/D轉(zhuǎn)換（ ADC)是嵌入式控制器一個(gè)非常重要的單元，它提供控制器與實(shí)現(xiàn)世界的連接通道，通過(guò) ADC單元可以檢測(cè)諸如溫度、濕度、壓力、電流、電壓、速度、加速度等模擬量。 ADC轉(zhuǎn)換的目的就是將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入的模擬電壓和轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)之間的關(guān)系可以表示為： ? ???? ???? R E Fn R E FR E Fin 12 VVVDV 其中： Vin為輸入的模擬電壓信號(hào)； VREF為參考低電平； VREF+為參考高電平； D為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量； n為模數(shù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)。 TMS320F281x DSP 內(nèi)部有一個(gè) 12 位模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ Analog to Digital Converter, ADC)， 可有 16 通道模擬輸入信號(hào) , 轉(zhuǎn)換時(shí)間可以在 80ns 以內(nèi)。 16 個(gè)結(jié)果寄存器 ADCRESULT0~ ADCRESULT15 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果。 ADC模塊可以設(shè)置為兩個(gè)獨(dú)立的 8通道轉(zhuǎn)換器，將一系列轉(zhuǎn)換自動(dòng)排序，每個(gè)模塊可以從 8個(gè)輸入通道中任意選擇輸入。 ADC模塊也可以工作在級(jí)聯(lián)模式 (Cascaded Sequencer Mode)，自動(dòng)排序器 (Sequencer)就變成一個(gè)單 16通道的排序器。 該 A/D 轉(zhuǎn)換器的功能包括： ⑴ 12 位 ADC 模塊，內(nèi)含采樣 /保持 (Sample/Hold, S/H)電路。 ⑵ 同時(shí)采樣或順序采樣模式。 ⑶ 模擬電壓輸入范圍 0~3V。 ⑷ 25 MHz 的 ADC 時(shí)鐘頻率，轉(zhuǎn)換時(shí)間短。 ⑸ 16 通道，多路選通輸入。 ⑹ 可在一次采樣中同時(shí)實(shí)現(xiàn) 16 路自動(dòng)轉(zhuǎn)換的自動(dòng)排序。每個(gè)轉(zhuǎn)換可以從 1~16 輸入通道中任意選擇。 ⑺ 排序器可以作為兩個(gè)獨(dú)立的 8 通道排序器或一個(gè) 16 通道排序器即級(jí)聯(lián)模式。 ⑻ 16個(gè)結(jié)果寄存器存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果，每個(gè)寄存器可獨(dú)立尋址。輸入模擬電壓和采樣結(jié)果的關(guān)系為：數(shù)字結(jié)果 =4095 (輸入模擬電壓 ADCLO)/3。 ADCLO 是 A/D 轉(zhuǎn)換低電壓參考值。 ⑼ 多個(gè)觸發(fā)源可以啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換。包括軟件 (Software, S/W)啟動(dòng)、事件管理器EVA/EVB(多個(gè)觸發(fā)源 )啟動(dòng)、外部引腳觸發(fā)啟動(dòng)。 ⑽ 靈活的中斷控制，允許每個(gè)排序的結(jié)束 (End of Sequence, EOS)或每?jī)纱?EOS 申請(qǐng) 中斷一次。 ⑾ 排序器可以工作在啟動(dòng) /停止模式，允許多個(gè)按時(shí)間排序的觸發(fā)源同步轉(zhuǎn)換。 ⑿ 事件管理器 EVA、 EVB 觸發(fā)源可以獨(dú)立工作在雙排序器模式。 ⒀ 采樣保持獲取時(shí) 間窗口 (Time Window)有單獨(dú)的預(yù)分頻時(shí)鐘。