基於TMS320F240 的多種PWM實現

摘要：脈寬調製PWM在諸如電梯、電機等控制系統中有著廣泛的應用，其中一個重要的原因就是PWM實現了模擬控制的數字化，而產生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的TMS320F240 數字信號算是器，詳盡介紹基提供的有關PWM的硬體資源以及使用方法。用該DSP 既可滿足需要一般的對稱或非對稱PWM波形的場合，也可滿足需要比較複雜的空間矢量（space vector）PWM 的應用場合。

1 概述
         在採樣控制理論中有一個重要的結論：衝量相等而形狀不同的窄脈衝脈衝在具有慣性的環節上時，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衝組成的波形。這些脈衝的幅度按正弦規律變化。如果把上述脈衝序列用同樣數量的等幅而不等時間寬度的矩形脈衝序列代替，使矩形脈衝的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈衝和相就的正弦部分面積（衝量）相等，那麼，將該等幅而不等寬的脈衝施加於被控對象上，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衝就叫PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調製）波形。像這種脈衝的寬度按正弦規律變化且與正弦波衝量等效的PWM波形也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形。

         脈寬調製信號是脈寬變化的一系列脈衝。脈衝持續若干固定的周期，每個周期內只有1 個脈衝。那個固定的周期稱為PWM（載波）周期。PWM 脈衝的寬度由另一個稱為調製信號的序列決定或調製。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。施加於電機命令電流或電壓叫調製信號。調製信號的頻率一般比PWM 載波的頻率低得多。

2 TMS320F240 內嵌的有關PWM的硬體資源
       TMS320F240 是美國Texas Instrument 公司製造的專門用於滿足控制方面需要DSP 晶元。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，包含有產生PWM波形的多種硬體資源：

• 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，可以工作於連續遞增、連續遞減等6 種模式；
• 3 個16 位全比較器，提供死區設置功能；
• 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據存儲區。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。為了產生PWM 信號，需要1 個計數器重複對應於PWM 周期的計數，1 個比較器保存調製值。比較器不斷地與定時計數器的值比較。當值相等時，輸出引腳發生電平躍變；當值第2 次相等時或計數到達周期值時，輸出引腳又發生電平躍變。對於每一個定時周期，改變對應於調製值的比較器的值，即可得到不同脈衝寬度的信號。
        每個通用定時器比較單元可產生基於其自己的定時器的PWM輸出波形。
        3 個單比較器單元以及通用定時器1 或2 可以產生另外3 路PWM輸出，可以應用於沒有死區要求或用片外的其它電路構成死區的場合。
        全比較器單元的任何一個以及通用定時器1、死區單元和輸出邏輯，可以產生一對死區和極性可編程的PWM 信號。這非常適合應用於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
3.1 利用EV 中的通用定時器GP 產生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：

• 作為控制系統中的採樣周期；
• 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。每一個通用定時器都有1 個相關聯的比較寄存器TxCMPR 和1 個比較/PWM 輸出引腳TxPWM/TxCMP。計數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，產生1 個比較匹配事件。當TcCON[1]=“1”，則產生下列動作：

• 比較中斷標誌置位；
• 若計數方式不是直接加減方式，則相關聯的比較/PWM輸出引腳上將產生電平變化（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輸出引腳上呈現高阻態，上述動作不會發生。

3.2 利用EV 中的單比較器模塊（simple compare）產生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”。當全比較單元工作於“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；當全比較單元工作於“PWM模式”時，它由不同的控制寄存器控制，並且最終的輸出還受到死區單元和空間矢量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PWM 電路能夠產生6 路死區和極性可編程的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 就是脈衝位於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生對稱或非對稱的PWM。下面以全比較單元為例，對產生對稱和非對稱PWM 作一討論。
        為了產生非對稱的PWM，要求GP TIMER1 設置為連續遞增計數模式、預置周期寄存器的數值、設置COMCON 為使能比較、預置DBTCON 的數值（若對死區有要求），然後適當地配置ACTR 即可產生一個非對稱的PWM 信號。
        GP 定時器1 啟動以後，在每個PWM周期，比較寄存器以其影像單元的數值覆蓋自身。由於比較寄存器、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。
        為了產生對稱的PWM，則要求GP 定時器1 設置為連續遞增/減計數模式，其它與產生非對稱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後發生作用，這樣可提高或滯后PWM 的第2 個沿。

3.5 空間矢量PWM
 
         對於圖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於安全狀態，DTPHx 和DTPHx_應成反相關係。3 組PWM輸出DTPHx 和DTPHx_應成反相關係。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S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8 來對應映射。由狀態S1→S2→S3→S4→S5→S6→S7→S8 構成循環的1 個周期，即360°。在一個極坐標上，將每個狀態Sx 用一個矢量表示，則由狀態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 為連續遞增/減模式，啟動計數動作。限於篇幅，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。