机载平台下功率级驱动及PWM 死区控制的研究

周俊鹏，李 焱

(长春工业大学，长春130012)

0 引 言

PWM 即脉宽调制技术，是指采用电子开关将输入调制器的电压进行宽度调制。为防止同一桥壁上两只功率管同时导通，死区的设置就显得格外重要。DSP+CPLD 在级联H 桥配电网静止同步补偿器的应用，但并没有具体的死区设置方法［1］。无刷直流电机的三环控制应用广泛，从整体对三环控制综合描述，却没有给出具体的功率级和死区的控制策略［2］。根据双DSP 的双PWM 变频器在控制上相对独立而又紧密联系的特点，提出了一种基于双定点DSP 的双PWM 变频器控制平台设计方法。该平台可以满足双PWM 变频器不同控制算法对控制板的硬件需求，同时兼顾其通用性，然而没有提到死区方面的性能［3］。在双PWM 变频器系统研究与设计分析中，只有在电网方面笼统的说明，没有在电机控制方面的介绍［4］。运动控制器使用DSP + CPLD 结构，实现了直线插补的两级插补。粗插补采用时间分割法，由DSP 软件完成;精插补采用DDA 法，由CPLD 硬件完成，提高了插补精度和输出脉冲频率，改进了传统的分割算法，保证分段坐标增量的均匀性，可是单从理论出发，没有应用在工程中［5］。DSP和CPLD 的伺服控制器，应用于某光电系统的控制部分，虽然有工程应用价值，但没有提到在产生PWM 波性能方面的说明［6］。DSP +CPLD 开关磁阻电机控制系统应用在电动汽车方面，没有谈到死区方面的问题［7］。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波为思想，单从软件与仿真方面达到理想PWM 波，可是具体实际应用方面未知［8］。基于双闭环控制的单相PWM 整流电路中，虽然提到了死区发生电路，但详细的精度与准确度方面却未得到体现［9］。基于MCS -51 单片机的一种带死区的PWM 脉冲调制方法，展现了PWM 波产生方法，但死区固定，并不具有代表性［10］。Proteus 中的直流电机PWM 调速系统中，也仅仅是单纯的仿真，死区没有体现，没有工程应用背景［11］。PWM 波中调整占空比就可以得到不同的平均电压。本文将介绍DSP数字信号处理器产生的PWM 详细过程，并针对DSP 的死区寄存器设置只有几种固定频率，而且不能方便得到准确的整微秒，用CPLD 设置死区加以改进可得到精确的整微秒。试验表明精确程度仅有0.2 μs 的误差。

1 PWM 波形产生原理

从图1 中可见，(NTxPR+1)×fT=T(所需周期)。

图1 通用定时器连续增计数模式

从图2 中可知，占空比低有效时为NCMPRx，高有效时占空比为［(NTxPR+1)-NCMPRx］/(NTxPR+1)。如果需要死区控制，则相应的死区控制寄存器中对应为设置适当的值。例如EvaRegs. DBTCONA. all= 0x0A74(死区定时器1、2 使能;死区定时器32 分频)。前述的fsys=75 MHz，则死区时间t =32 ×10/75 μs=4.3 μs。根据上升沿要延迟一个死区时间，则PWM 波形如图3 所示。

图2 连续增计数模式下的通用定时器比较输出

图3 带死区的PWM 波形图

由以上死区设置可知，DSP 设置的死区通过繁琐的计算不能方便得到整微秒。采用CPLD 设置可得到整微秒。

2 CPLD 产生带死区的PWM 波原

由DSP 产生800 Hz(PWM1)占空比1∶ 4 的周期信号和PWM3 方向信号，送入CPLD 中，得到PWME1(C)，PWME2(D)，PWME3 (A)，PWME4(B)四路信号，供给功率级来控制电机。表1 和表2为理论分析四路PWM 信号波形。

表1 理论分析正向PWM 信号波形

表2 理论分析反向PWM 信号波形

图4 中在Quartus II 中设置pin_name 为16 MHz，经过16 分频器后得到周期为1 μs 的基准波，经过6 个D 触发器就可到得6 μs 死区，所以只需增加或减少D 触发器，就可灵活方便地得到PWM 的死区。IOINPUT06，IOINPUT07 置1，PWM1 设置为800 Hz，PWM3 置1，可得A，B，C，D 四路仿真波形图，如图5 所示。

图4 6 μs 死区设置PWM 逻辑电路

图5 四路PWM 仿真波形图

从图5 中可见，PWME1 与PWME3 前沿相差6 μs 的死区，PWME2 为高电平，PWME4 为低电平。在Quartus II 中按上述方法设置PWM3 置0，其余设置不变，可得到图6 仿真波形图。

图6 四路PWM 仿真波形图

从图6 中可见，PWME2 与PWME4 前沿相差6 μs 的死区，PWME1 为高电平，PWME4 为低电平。上述仿真结果与表1 和表2 所列理论分析完全一致。

3 功率级驱动电路

将CPLD 产生的A，B，C，D 四路带死区的PWM信号送入图7 的DRV2A，DRV1A，DRV2B，DRV1B中，经过4505 隔离放大反相后送入PM75CSE060中，在PN 端加上40 V 直流电压，在U(+)，V(-)两端用示波器得到波形如图8、图9 所示。IPM 的Fo在欠压、短路、过流和温度过高时输出低电平可设计作为电路故障监测端。

图7 功率驱动电路

从图8 和图9 中可看到，PWM 波形前端稍带尖峰，可提高电机带载能力及其响应的快速性。

图8 正向PWM 波形

图9 反向PWM 波形

从图10 的示波器中可看出，从功率级端输出PWM 波形死区为5.8 μs，非常准确，完全满足快速反射镜所需单极性PWM 波所需的死区要求。

图11 为本工程实际的伺服控制电路板和功率级电路板。

图10 实测PWM 波形死区

图11 伺服控制板加功率级驱动板

4 结 语

此快速反射镜的功率驱动电路PWM 波死区要求大于5 μs，实测死区时间5.8 μs，完全满足机载平台下对PWM 波形的需要。死区时间不易设置过大，否则影响电机起动时间，使系统滞后，稳定裕度降低影响系统稳定性;同时稍带尖峰的PWM 波形能够提高电机驱动能力。此方法在实际应用中方便、可行、有效，能够满足某项目PWM 波形死区精度方面的需要。本文对功率驱动具有很好的通用性和借鉴性。

［1］ 张艳梅，苟锐锋，杨晓平，等.DSP+CPLD 在级联H 桥配电网静止同步补偿器的应用［J］.南方电网技术，2012，6(6):72-77.

［2］ 张爱军，程时兵，朱军伟，等.DSP+CPLD 的无刷直流电机三环控制设计［J］.电力电子技术，2012，46(11):106 -108.

［3］ 尹璐，赵争鸣，鲁挺等.基于双DSP 的双PWM 变频器控制平台设计［J］.电力自动化设备，2013，33(11):148 -153.

［4］ 刘玉娥.双PWM 变频器系统研究与设计分析［J］. 电力电子，2013(20):206.

［5］ 劳奇成，王义智，李武. 基于DSP 和CPLD 的运动控制卡插补器设计［J］.机床与液压，2014，42(4):92 -94.

［6］ 秋亚.基于DSP 和CPLD 的伺服控制器设计［D］.西安:西安工业大学，2013.

［7］ 张超，全力，朱孝勇，等. 基于DSP +CPLD 的车用开关磁阻电机驱动控制系统的设计［J］.电机与控制应用，2013，40(1):13-16.

［8］ 妖鸿强，陈荣荣.基于FPGA 的正弦波PWM 信号发生器的设计［J］.江南大学学报，2012，11(3):286 -289.

［9］ 唐梦娴，鄢立. 基于双闭环控制的单相PWM 整流电路设计［J］.仪表技术，2014，1(1):27 -30.

［10］ 张超，胡顺杰. 基于MCS -51 单片机的一种带死区的PWM脉冲调制方法［J］.电源世界，2014，26(4):26 -29.

［11］ 袁战军.基于Proteus 的直流电机PWM 调速系统研究［J］.电子设计工程，2013，21(5):113 -116.

［12］ WANG G L，XU D G，YU Y.A novel strategy of dead-time compensation for PWM Voltage -Source Inverter［C］//23rd Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition.2008:1779 -1783.