基于DSP芯片設(shè)計(jì)的一種波形發(fā)生器

董卓敏 王永 孫德敏　　摘 要：給出了一種基于dsp芯片tms320f240的對(duì)稱規(guī)則spwm信號(hào)生成法，較為詳盡地分析了spw m信號(hào)的諧波成分、總諧波失真度及其和載波比的關(guān)系。由于只需知道采樣時(shí)刻，就可確定該采樣周期內(nèi)脈沖信號(hào)的開關(guān)點(diǎn)，因此spwm特別適合在線計(jì)算。對(duì)生成的spwm信號(hào)進(jìn)行fourier分析，結(jié)果表明，正弦波經(jīng)過(guò)該方式調(diào)制以后，輸出信號(hào)中不含有直流成分；當(dāng)載波比為偶數(shù)時(shí)，輸出信號(hào)中不含偶次諧波；提高載波比有利于濾除高次諧波。根據(jù)以上特點(diǎn)，將spw m應(yīng)用到某型制冷機(jī)減振電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上，對(duì)實(shí)測(cè)的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行分析，其結(jié)果與理論分析相吻合。與采用模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行了比較，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　關(guān)鍵詞：正弦脈寬調(diào)制；諧波分析；總諧波失真度；數(shù)字信號(hào)處理；tms320f240
引 言
　　隨著電力電子的迅速發(fā)展，逆變技術(shù)已越來(lái)越多地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。尤其是脈寬調(diào)制（pulse－width modulation，pwm）技術(shù)的出現(xiàn)，使逆變器得到更為廣泛的應(yīng)用。就pwm的控制技術(shù)而言，為適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和性能要求，提出了多種不同的開關(guān)器件通斷控制策略［1］。如最簡(jiǎn)單的等脈寬pwm法，改變其脈沖周期可以調(diào)頻，改變占空比可以調(diào)壓；其缺點(diǎn)是輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。正弦脈寬調(diào)制（sine pwm，spwm）法是為了克服等脈寬pwm法的缺點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的。

　　對(duì)于實(shí)時(shí)計(jì)算的pwm控制方法常常需要建立數(shù)學(xué)模型，較為常用的是采樣型的spwm法。文［2］指出，在對(duì)正弦波進(jìn)行調(diào)制時(shí)，采用三角波作為載波比用鋸齒波產(chǎn)生更少的諧波分量，自然采樣spwm法就是通過(guò)正弦波與三角波的比較來(lái)決定開關(guān)點(diǎn)的位置，原理簡(jiǎn)單易于用模擬電路實(shí)現(xiàn)。由于其開關(guān)模式不能用顯式表達(dá)，難以用微機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，因此發(fā)展了規(guī)則采樣法。

　　本文給出了一種基于dsp的對(duì)稱規(guī)則spwm生成法，在建立規(guī)則采樣法數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析輸出波形的諧波成分，進(jìn)而討論諧波抑制的策略；然后，將spwm法應(yīng)用到某型制冷機(jī)減振電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上，并與采用模擬驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1　對(duì)稱規(guī)則spwm的生成
　　當(dāng)使用正弦波調(diào)制時(shí)，已經(jīng)證明，在交流電機(jī)（如感應(yīng)和直流無(wú)刷電機(jī)）的相電流中，對(duì)稱的pwm信號(hào)比非對(duì)稱的pwm信號(hào)引起的諧波失真更小［2］。

　　這里給出使用ti公司的dsp芯片tms320f240產(chǎn)生pwm信號(hào)的原理：為了產(chǎn)生pwm信號(hào)，由單獨(dú)的定時(shí)器產(chǎn)生載波周期。當(dāng)前需調(diào)制的數(shù)值與最大的調(diào)制數(shù)值相減，其差作為比較對(duì)象，不斷地與定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行比較。當(dāng)兩個(gè)值匹配時(shí)，相關(guān)的輸出就發(fā)生跳變（從低到高或從高到低）。這樣就產(chǎn)生了輸出脈沖，它的開啟（或關(guān)閉）時(shí)間與被調(diào)制的數(shù)值成正比，改變調(diào)制數(shù)值，相關(guān)引腳上輸出的脈沖信號(hào)的寬度也隨之改變。圖1給出了對(duì)稱規(guī)則pwm波形生成的原理。2　數(shù)學(xué)模型及諧波分析
　　設(shè)正弦調(diào)制波為us（t）＝asin（2πft），其中，a為正弦波幅值，f為頻率，正弦波周期t＝1／f。為提高輸出信號(hào)基波的最大值，應(yīng)盡量采用大的調(diào)制深度m［3］，這里假設(shè)m＝1。設(shè)pwm信號(hào)的幅值為e，載波比n為大于1的整數(shù)。在一個(gè)正弦波周期內(nèi)，共有n個(gè)pwm脈沖，對(duì)于第n個(gè)脈沖而言：采樣時(shí)刻為t（n－ 1）／n，采樣值為asin（2π（n－1）／n），由于脈沖寬度與采樣值成比例及調(diào)制深度m＝1，所以第n個(gè)脈沖的寬度

設(shè)第n個(gè)脈沖的兩次跳變時(shí)刻分別為tln，trn（如圖1示），則

　　由式（2，3）可知，在對(duì)稱規(guī)則采樣的情況下，只要知道采樣時(shí)刻n，就可以確定出這個(gè)采樣周期內(nèi)脈沖信號(hào)的開關(guān)點(diǎn)?！　?br> 圖2表示一個(gè)周期內(nèi)正弦波調(diào)制后的pwm輸出波形，對(duì)它進(jìn)行fourier變換，可以得到

考慮到上式第二項(xiàng)絕對(duì)值符號(hào)內(nèi)的數(shù)小于0，因此