基于TMS320F2812的载波移相PWM发生器的设计＊

杨仁增 王海欣 黄海宏

(合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

0 引言

级联多电平逆变器作为一种新型的高压大功率逆变器，通过多电平阶梯波输出以逼近正弦电压，在得到高质量输出波形的同时，具有开关频率低，开关器件应力小，系统效率高等优点。在级联多电平逆变器的应用中，当电平数超过5，从简化控制算法的角度，三角载波PWM法是一种较好的选择[1]。三角载波移相PWM(Carrier Phase－Shift PWM，简称 CPS－PWM)技术能以较低的器件开关频率实现较高的等效开关频率，从而大幅度消除或抑制谐波。

CPS－PWM技术在实际应用中需要多个计数器和众多路PWM输出口，其硬件生成比较困难。目前通用的方法用DSP+FPGA或DSP+CPLD 产生多路 CPS－PWM 波形。[2－4]FPGA(CPLD)和 DSP 通过通讯中断来配合工作，二者通讯时钟不易同步，DSP传输给FPGA(CPLD)的数据容易丢失，很难统一各路CPS－PWM的时序。文献[5]提出的基于中断控制的离散自然采样算法，解决了基于DSP的CPS－PWM信号生成的实时性问题，但各路PWM信号均由软件实现，DSP负担过重，信号生成程序采用汇编语言编程，可移植性差。

本文研制的基于TMS320F2812实现的多路移相PWM脉冲发生器，通过事件管理器硬件实现与CPU软件实现相结合，基于2812的多任务中断时序，可直接在2812的多个GPIO复用管脚输出多路移相PWM信号，简化了控制系统。并基于该PWM发生器，完成了级联单相七电平逆变器的载波移相实验。实验证明该PWM发生器简化了硬件电路的设计，为CPS－PWM技术的实用化提供了新的思路。

1 CPS-PWM调制原理

CPS－PWM调制技术的基本原理为:在逆变器单元数为N的电压型PWM级联多电平逆变器中，各逆变器单元采用共同的调制波信号，将各逆变器单元的三角载波的初始相位相互错开三角载波周期 Tc的1/(2 N)。为提高输出电平数，每个逆变器单元的输出都是两个初相位相差 Tc/2的三角载波与调制波相交产生的PWM信号的叠加，即每个单元的输出为三电平信号。则 N个逆变单元构成的级联型变流器输出电平数为2 N+1，采用CPS－PWM调制技术的 N单元级联逆变器输出信号电压提高 N倍，呈线性放大，等效开关频率提高2 N倍[6]。

正弦调制波频率为50Hz，三角载波频率为7.5kHz，调制度为0.8，单相级联三单元逆变器的MATLAB仿真输出电压波形如图1所示。

图1 三单元级联CPS－PWM逆变器仿真波形

由图1可以看出，采用CPS－PWM技术三单元级联输出电压波形为7电平的阶梯波，比三电平更接近于正弦。幅值最大的高次谐波集中在45kHz左右，即等效开关频率为单元开关频率的6倍。

2 CPS-PWM调制算法

数字控制系统中常采用规则采样法、不对称规则采样法、自然采样法和指定谐波消除法等多种软件算法来确定逆变器功率开关器件的开关时刻。不对称规则采样法实际是改进的规则采样法，其在一个载波周期内在三角波的顶点和底点时刻分别计算出脉冲的开关时刻及脉冲宽度，计算量较规则采样法增加一倍，但所形成的PWM波形的等效性更接近于调制波。

图2 不对称规则采样原理图

图2所示为基本单元PWM脉宽计算原理，设调制波为正弦波，则在计算点为载波顶点时脉宽为:

计算点为载波底点时脉宽为:

式(1)及(2)中，Tc为载波周期，M为调制度，F为载波比。则一个载波周期内脉宽为:

若某个逆变单元与基本单元的三角载波相位差为 Tc/2 N，则计算点为载波顶点时的脉宽为:

计算点为载波底点时的脉宽为:

则此时PWM脉宽为:

贴合不同阶层需求，加强筹款形式创新。为迎和年轻人的市场，平台必须在筹款方面做出创新，并寻求其他平台的合作。如和一些运动健身平台联合推出捐步活动，传播出平台健康积极的形象。而且人们不需要真正花钱就能献出自己的一份力量，获取一定的心理满足感，无疑会提高群众捐赠的积极性。

3 CPS-PWM的DSP实现

TMS320F2812是高速DSP芯片，利用内置的两个EV事件管理器模块中的6个完全比较单元和通用定时器1和3，可以方便地产生12路带有可编程死区和输出极性的PWM波。EVA及EVB事件管理器属于DSP芯片的外部模块，占用CPU的时间少，编程方便灵活。

实现不对称规则采样的PWM信号输出，需共同使用EVA事件管理器的定时器T1周期中断和T1下溢中断(对EVB而言为定时器T3周期中断和T3下溢中断)。T1周期中断程序计算载波顶点脉宽数据，并重新装载完全比较寄存器CMPRx的值(x=1，2，3对于EVB为CMPRy且y=4，5，6);T1下溢中断程序计算载波底点脉宽数据，并重新装载完全比较寄存器CMPRx的值。一个载波周期内PWM脉宽由T1周期中断和T1下溢中断顺序配合完成。

2812芯片上6个完全比较单元只受两个独立的定时器控制，只能产生2列独立的载波;设置定时器T1和T3不同的计时初始值，可输出两列载波相位相差0～Tc/2的PWM信号。通过CPS－PWM调制的对称优化，即用调制波反相的PWM信号可代替载波移相 Tc/2的PWM信号，可实现单相5电平输出[5]。调制波反相只需将上述脉宽公式中调制度M前的加法运算改为减法运算便可。

为实现单相7电平以上的CPS－PWM输出，解决单片2812硬件产生CPS－PWM信号不足的困难，本文采用了一种基于软件计算的CPS－PWM生成法。其基本思路是在事件管理器生成的各列PWM信号中，根据扩展的需要选择参考信号，进行插值计算，由2812CPU子程序生成新的CPS－PWM信号。

以实现单相7电平所需的6列PWM信号为例，先设定2812硬件生成4列 PWM1、PWM3、PWM7、PWM9信号(对应的互补信号为PWM2、PWM4、PWM8、PWM10)。PWM1载波相位超前 PWM3的载波相位 Tc/2，PWM7载波相位超前 PWM9的载波相位 Tc/2，PWM1载波相位超前PWM7的载波相位 Tc/6。主程序中初始化GPIO时，将空闲的PWM5、PWM6、PWM11及PWM12预设为通用输出管脚，T1PWM、T2PWM、T3PWM和T4PWM预设为通用输入管脚。选择 PWM7、PWM9信号作为参考信号，连接管脚 PWM7到T1PWM，PWM9到T3PWM，由2812CPU子程序生成对应滞后移相Tc/6的 PWM5、PWM11信号(对应的互补信号为 PWM6、PWM12)。

主程序中需调用2812CpuTimer0定时器的TINT0中断，事件管理器T1、T3的周期中断T1PINT、T3PINT及下溢中断T1UFINT、T3UFINT。在TINT0中断程序中生成软件PWM信号;周期中断T1PINT、T3PINT和下溢中断T1UFINT、T3UFINT，除执行硬件生成PWM所需功能外，还提前计算PWM5、PWM11对应的脉宽数据。

TINT0中断程序简略流程图如图3，图中仅画出生成PWM5信号的流程。T0Counter为中断计数变量，Stamp5 H为PWM5高电平计时变量，Stamp5 L为PWM5低电平计时变量。程序中检测T1PWM管脚高低电平值，当T1PWM管脚由低电平翻转为高电平时，将当时的T0Counter值赋给Stamp5 H;当T1PWM管脚由高电平翻转为低电平时，将当时的T0Counter值赋给Stamp5 L。

图3 TINT0中断程序流程图

而低电平时间值Delay5 L为:

当满足 T0Counter－Stamp5 H=Delay5 H/时，对GPADAT数据寄存器bit位GPIOA4置1，PWM5管脚跳变为高电平;当满足T0Counter－Stamp5 L=Delay5 L时，对GPADAT数据寄存器bit位GPIOA4置0，PWM5管脚跳变为低电平。

当 T0Counter计数到设定的最大值max(为调制波周期以T_CpuTimer0为基数换算取整值的整数倍)时，将所有计时变量复位，开始新的循环。

以此类推，经设定可在PWM6、PWM11及PWM12管脚输出所需的PWM信号。

4 单相级联七电平逆变器实验

图4为单相级联多电平实验装置系统框图，系统采用事件管理器硬件实现与CPU软件实现相结合，在2812的12个GPIO复用管脚，输出了单相七电平所需的6组12路PWM信号。12路PWM信号经功率管隔离驱动芯片EB841放大后，去控制由IGBT模块2MBI50L－120组成的单相级联七电平逆变器。

图4 单相级联多电平实验装置系统框图

实验中正弦调制波频率为50Hz，三角载波频率为7.5kHz。CpuTimer0定时器的定时值设定为1.5μs。用TEK2000示波器测得的PWM信号如图5所示。其中通道1为硬件实现的PWM7信号，通道2为软件实现的 PWM5信号，PWM5滞后 PWM7约为23μs，与 CPS－PWM调制技术要求的相位差 Tc/6(22.2μs)十分接近。

图5 PWM信号波形图

逆变器输出电压波形如图6所示，与理论分析和图1中的仿真波形相符。

图6 单相级联7电平输出电压波形图

5 结论

实验结果表明，基于TMS320F2812硬件实现与软件实现相结合的CPS－PWM 信 号 发生器，简化了硬件电路的设计，算法程序简洁，且易于扩展。

实际工程中，级联多电平逆变器作为高压大功率逆变器，多使用大功率IGBT作为功率开关管，为避免过大的开关损耗，大功率IGBT的开关频率不易太高，基本都在10kHz以下，本文研制的CPS－PWM脉冲发生器，完全可满足级联多电平逆变器工程的实时性要求。

[1] 吴洪洋.级联型多电平逆变器PWM控制方法的仿真研究[J].中国电机工程学报，2001，21(8):42 ～46.

[2] 王成元.载波移相技术的FPGA实现方法[J].电力电子技术，2007，41(5):26～28.

[3] 常国祥.一种新的基于FPGA的多路SPWM波形发生器[J].中国电机工程学报，2006，26(25):51～54.

[4] 李淳.DSP+CPLD实现CPS－SPWM下的单相多电平脉冲[J].高电压技术，2006，32(8):76～78.

[5] 朱凌.基于DSP的载波移相多电平SPWM实现方法[J].华北电力大学学报，2004，31(5):21～25.

[6] 尹彭飞.载波移相技术在高压变频器中的应用[J].电气传动，2004，34(5):132～134.