【正文】 作水平線和三角波交于 A、 B 點，在 A 點時刻 tA 和 B 點時刻 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)則采樣法計算公式推導 ： 正弦調制信號波公式中， a 稱為調制 度， 0≤a＜ 1； ωr 為信號波角頻率 。 因此可得 ： tau rr sin?? () 三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度 222s in1 cDr Tta ?? ? ? () 同步調制和異步調制 在 SPWM 逆變器中，載波頻率 fc 與調制信號頻率 fr 之比 N＝ fc/fr，稱為載波比。根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況， SPWM 逆變器調制方式分為異步調制和同步調制。 1 異步調制 載波信號和調制信號不同步的調制方式即為異步調制。通常保持載波頻率 fc 固定不變，當調制信號頻率 fr 變化時，載波比 N 是變化的。當 fr 較低時 ， N 較 大，一周期內脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小，當 fr 增高時， N 減小，一周期內的脈沖數(shù)減少， PWM脈沖不對稱的影響就變大，還會出現(xiàn)脈沖的跳動。同時，輸出波形和正弦波之間的差異也變大，電路輸出特性變壞。對于三相逆變器來說，三相輸出的對稱性也變差。因此，在采用異步調制方式時，希望盡量提高載波頻率，以使在調制信號頻率較高時仍能保持較大的載波比，從而改善輸出特性。 2 同步調制 載波比 N 等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的調制方式稱為同步調制。在同步調制方式中， fr 變化時 N 不變，信號波一周期內輸出脈 沖數(shù)固定。在三相 SPWM 逆變電路中通常共用一個三角波載波，且取 N 為 3 的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。 3 分段同步調制 為了克服上述缺點，通常采用分段同步調制的方法，即把 fr 范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持 N 恒定，不同頻段 N 不同。在 fr 高的頻段采用較低的 N，使載波頻率不致過高；在 fr 低的頻段采用較高的 N，使載波頻率不致過低；為防止 fc 在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法。 同步調制比異步調制復雜，但用微機控制時容易實現(xiàn)。可在低頻輸出時采用異步調制方式，高頻輸出時切換到同步調制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結合起來 ，和分段同步方式效果接近。 TMS320F2812DSP PWM 信號的產生 為產生 PWM 信號，定時器需要重復按照 PWM 周期進行計數(shù)。比較寄存器用于保持調制值，該值一直與定時器計數(shù)器的值相比較，當兩個值匹配時， PWM 輸出就會產生跳變。當兩個值產生第二次匹配或定時器周期結束時，會產生第二次輸出跳變。通過這種方式可以產生周期與比較寄存器值成比例的脈沖信號。在比較單元中重復完成計數(shù)、匹配輸出的過程，就產生了 PWM 信號。 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，采用單片機產生 SPWM 波控制全橋逆變電路中的 4 個全控型器件 IGBT 的導通與關斷來產生逆變，并通過其內部自帶的 8 位高精度 A/D 轉換模塊采樣負載兩端電壓，該負載兩端的電壓是經過降壓和整流之后的，然后送到單片機中進行處理，該系統(tǒng)采用 BANG—BANG 控制理論思想，通過對軟件的合理優(yōu)化配置，使系統(tǒng)穩(wěn)、準、快的達到設定值，并具有很高的抗干擾能力。 系統(tǒng)框圖 圖 31 系統(tǒng)結構框圖 主電路硬件結構及工作原理 本次設計采用直流信號源，并經過大電容穩(wěn)壓之后，送給晶閘管進行逆變，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試 SPWM， DSP 產生一路 SPWM 信號，控制其中的一對晶閘管，另一對晶閘管的控制方式為上一 SPWM 信號的取反，并且其間加有硬件死區(qū)電路，以避免上下兩橋臂同時導通，造成直流側短路。開關管S1,S4 門極送第一個 SPWM 信號， S2， S3 送第二個 SPWM 信號，分別控制 4 個 IGBT 在不通時刻導通與關斷，從而產生交流電壓。交流電壓經過 RC 濾波電路進行高次諧波的濾除，輸出為正弦交流電壓。 開關過程分析：某一時刻，開關 S S4 閉合 ,S S3 關斷 ,負載電 壓 uo 為正；下一時刻，當開關 S S4 關斷 ,S S3 閉合， uo 為負，這樣就把直流電變成了交流電，改變兩組開關的切換頻率，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)各級供電電源設計 IGBT 驅動電路 M57962L 供電電源設計 每一個晶閘管都需要一個驅動進行控制，其驅動電路中的電源要分開進行供給，故需要設計四路分開的 15v 直流電壓。 圖 33 IGBT 驅動電路供電電源設計 IGBT 的特點及選取 IGBT 也稱為絕緣柵雙極晶體管，綜合了 GTR 和 MOSFET 的優(yōu)點，因而具有良好的特性。因此，自從其 1986 年開始投入市場，就迅速擴展了其應用領域，目前以取代了原來 GTR 和GTO 的市場，成為中、大功率電力電子設備的主導器件。 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),相應的還有 P 溝道 IGBT，記為PIGBT 如圖（ b)。 IGBT 的電氣圖形符號 IGBT 的主要特點： ⑴ IGBT 開關速度高。開關損耗小。有資料表明，在電壓 1000V 以上時， IGBT 的開關損耗只有 GTR 的 101 ，與電力 MOSFET 相當。 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 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一步提高，同時可保持開關頻率高的特性。 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 簡介 DSP 的概念 數(shù)字信號處理 (Digital Signal Processing，簡稱 DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。 20 世紀 60 年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術應運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里， 數(shù)字信號 處理已經在通信等領域得到極為廣泛的應用。德州儀器、 Freescale 等半導體廠商在這一領域擁有很強的實力。 DSP 微處理器（芯片）一般具有如下主要特點： （ 1）在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法； （ 2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)； （ 3）片內具有快速 RAM，通常可通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問； （ 4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持； （ 5）快速的中斷處理和硬件 I/O 支持； （ 6）具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器； （ 7）可以并 行執(zhí)行多個操作； （ 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 : ○ 1 對元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部因素影響小； ○ 2 容易實現(xiàn)集成； VLSI ○ 3 可以分時復用，共享處理器； ○ 4 方便調整處理器的系數(shù)實現(xiàn)自適應濾波； ○ 5 可實現(xiàn)模擬處理不能實現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、級聯(lián)、易于存儲等； ○ 6 可用于頻率非常低的信號。 DSP 缺點 : ○ 1 需要模數(shù)轉換； ○ 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成，沒有無源設備可靠。 ○ 4 但是其優(yōu)點遠遠超過缺點。 DSP 的相關應用 1． 信號處理：數(shù)字濾波、自適應濾波、 FFT、 Hilbert 變換、相關運算、頻譜分析、卷積 、 模式匹配、窗函數(shù)、波形產 生等。 2． 語音處理：語音編碼、語音合成、 語音識別 、語音增強、語音郵件、語音儲存等。 3． 圖像 /圖形：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識別、動畫、機器人視覺、多媒體 、電子地圖、圖像增強等。 4． 軍事：保密通信、 雷達處理、聲吶處理、導航、全球定位、跳頻電臺、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． 自動控制：控制、深空作業(yè)、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等。 7． 醫(yī)療：助聽、超聲設備、診斷工具、病人監(jiān)護、心電圖等。 8． 家用電器：數(shù)字音響、數(shù)字電視、可視電話、音樂合成、音調控制、玩具與游戲等。 9． 生物醫(yī)學信號處理舉例： 10． CT：計算機 X 射線斷層攝影裝置。（其中發(fā)明頭顱 CT 英國 EMI 公司的豪斯菲爾德獲諾貝爾獎。） 11． CAT：計算機 X 射線空間重建裝置。出現(xiàn)全身掃描，心臟活動立體圖形，腦腫瘤異物，人體軀干 圖像重建。 12． 心電圖分析。 A/D 轉化單元概述 A/D轉換（ ADC)是嵌入式控制器一個非常重要的單元，它提供控制器與實現(xiàn)世界的連接通道，通過 ADC單元可以檢測諸如溫度、濕度、壓力、電流、電壓、速度、加速度等模擬量。 ADC轉換的目的就是將這些模擬信號轉換成數(shù)字信號，輸入的模擬電壓和轉換后的數(shù)字信號之間的關系可以表示為： ? ???? ???? R E Fn R E FR E Fin 12 VVVDV 其中： Vin為輸入的模擬電壓信號； VREF為參考低電平； VREF+為參考高電平； D為轉換后的數(shù)字量； n為模數(shù)轉換的位數(shù)。 TMS320F281x DSP 內部有一個 12 位模 /數(shù)轉換器（ Analog to Digital Converter, ADC)， 可有 16 通道模擬輸入信號 , 轉換時間可以在 80ns 以內。 16 個結果寄存器 ADCRESULT0~ ADCRESULT15 存儲轉換結果。 ADC模塊可以設置為兩個獨立的 8通道轉換器，將一系列轉換自動排序，每個模塊可以從 8個輸入通道中任意選擇輸入。 ADC模塊也可以工作在級聯(lián)模式 (Cascaded Sequencer Mode)，自動排序器 (Sequencer)就變成一個單 16通道的排序器。 該 A/D 轉換器的功能包括： ⑴ 12 位 ADC 模塊，內含采樣 /保持 (Sample/Hold, S/H)電路。 ⑵ 同時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 時鐘頻率，轉換時間短。 ⑸ 16 通道，多路選通輸入。 ⑹ 可在一次采樣中同時實現(xiàn) 16 路自動轉換的自動排序。每個轉換可以從 1~16 輸入通道中任意選擇。 ⑺ 排序器可以作為兩個獨立的 8 通道排序器或一個 16 通道排序器即級聯(lián)模式。 ⑻ 16個結果寄存器存儲轉換結果，每個寄存器可獨立尋址。輸入模擬電壓和采樣結果的關系為：數(shù)字結果 =4095 (輸入模擬電壓 ADCLO)/3。 ADCLO 是 A/D 轉換低電壓參考值。 ⑼ 多個觸發(fā)源可以啟動 A/D 轉換。包括軟件 (Software, S/W)啟動、事件管理器EVA/EVB(多個觸發(fā)源 )啟動、外部引腳觸發(fā)啟動。 ⑽ 靈活的中斷控制，允許每個排序的結束 (End of Sequence, EOS)或每兩次 EOS 申請 中斷一次。 ⑾ 排序器可以工作在啟動 /停止模式，允許多個按時間排序的觸發(fā)源同步轉換。 ⑿ 事件管理器 EVA、 EVB 觸發(fā)源可以獨立工作在雙排序器模式。 ⒀ 采樣保持獲取時 間窗口 (Time Window)有單獨的預分頻時鐘。