TMS320F2812在PWM型开关电源设计中的应用

1、TMS320F2812 在PWM型开关电源设计中的应用2主要内容主要内容一、TMS320F2812简介二、PWM型开关电源简介三、利用TMS320F2812产生SPWM波形3一、一、TMS320F2812简介简介4p TMS320C2000系列系列DSP控制器，具有很好的性能，集成了控制器，具有很好的性能，集成了Flash存储器，具有存储器，具有A/D转换器以及可靠的转换器以及可靠的CAN模块，主要模块，主要应用于数字化的控制。应用于数字化的控制。p 价格低廉，具有很高的性能和适用于控制领域的功能。因此价格低廉，具有很高的性能和适用于控制领域的功能。因此在电机控制、工业自动化、家用电器和消费电

2、子等多领域得在电机控制、工业自动化、家用电器和消费电子等多领域得到广泛的应用。到广泛的应用。1. TMS320F2812简介5p TMS320C2000系列中，系列中，TI公司推出了两个子系列公司推出了两个子系列C24x和和C28x，其中，其中C28x是目前数字控制领域中性能最高的是目前数字控制领域中性能最高的DSP芯芯片。片。p TMS320 x2000系列系列中中F系列和系列和C系列的区别：系列的区别：F系列带有系列带有Flash存储器，而存储器，而C系列没有；系列没有；F系列程序系列程序存储器存储器可可重复重复编程，反复擦写。编程，反复擦写。1. TMS320F2812简介6p TMS3

3、20F2812是是TI公司的一款用于控制的高性能、多功公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的能、高性价比的32位定点位定点DSP芯片，兼容芯片，兼容TMS320F2407指令系统指令系统，最高可在，最高可在150MHz主频下工作。主频下工作。p TMS320F2812在在TMS320系列的基础上有以下系列的基础上有以下特点特点： 高性能高性能12位模位模/数转换器（数转换器（ADC）的转换时间为）的转换时间为80ns，提，提供多达供多达16路的模拟输入；路的模拟输入； 基于基于TMS320C2000系列的系列的CPU核核保证了其保证了其与与TMS320系系列列DSP的的代码代码兼容；兼

4、容； 具有两个事件管理器模块具有两个事件管理器模块EVA和和EVB； 高高达达64K的的Flash程序存储器，程序存储器，18K的的RAM； 六六个外部中断（两个驱动保护、复位和三个可屏蔽中断）个外部中断（两个驱动保护、复位和三个可屏蔽中断）1. TMS320F2812简介7p TMS320F2812片内外设带有两个事件管理模块片内外设带有两个事件管理模块EVA和和EVB，为用户提供了众多的功能，使得它特别适合于运，为用户提供了众多的功能，使得它特别适合于运动控制和电动机控制等领域。动控制和电动机控制等领域。p 每个事件管理器包括通用（每个事件管理器包括通用（GP）定时器、全比较器）定时器、全

5、比较器PWM单元、捕获单元及正交脉冲编码电路（单元、捕获单元及正交脉冲编码电路（QEP）。）。p 每个事件管理器均每个事件管理器均可提供两个可提供两个16位通用位通用定时器和八个定时器和八个16位位的的PWM通道，可以产生对称、非对称和空间矢量通道，可以产生对称、非对称和空间矢量PWM波形。波形。p 在电动机驱动控制中，当功率管需要互补控制时，每个在电动机驱动控制中，当功率管需要互补控制时，每个事件管理器能共控制一组三相桥，同时每个事件管理器事件管理器能共控制一组三相桥，同时每个事件管理器还提供两路附加的还提供两路附加的PWM信号输出。信号输出。关于事件管理器模块8二、二、PWM型开关电源简介

6、9p 稳压电源稳压电源： 能为能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置装置p 稳压电源稳压电源1.线性电源与开关电源 线性电源线性电源 开关电源开关电源10p 线性电源线性电源： 传统传统电源，是先将交流电经过变压器降低电压幅值，电源，是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到到带有微小带有微小波纹电压的直流电压波纹电压的直流电压。图1 晶体管串联式线性稳压电源 11线性电源线性电源：p 优缺点优缺点： 线路线路简单、干扰小，对输入电压和负载变化的响应非常简单、干

7、扰小，对输入电压和负载变化的响应非常快，稳压性能好快，稳压性能好。 但但其功率调整管始终工作在线性放大区，调整管上的功其功率调整管始终工作在线性放大区，调整管上的功率损耗很大，导致其效率较低，只有率损耗很大，导致其效率较低，只有20%40%，且发热损，且发热损耗严重，所需的散热器体积大、质量大，因此功率体积系数耗严重，所需的散热器体积大、质量大，因此功率体积系数只有只有2030W/dm3。另外。另外，对电网电压范围变化的适应性较，对电网电压范围变化的适应性较差。差。12p 线性电源线性电源的动态响应非常快，稳压性能好，但功率转换效的动态响应非常快，稳压性能好，但功率转换效率太低。若能是功率调整

8、管处于开关工作状态，则其效率率太低。若能是功率调整管处于开关工作状态，则其效率将大为提高将大为提高。 对对图图 1 晶体管晶体管串联式线性稳压电源进行改串联式线性稳压电源进行改进进，可得到，可得到晶体管串联式开关晶体管串联式开关稳压电源。稳压电源。图2 晶体管串联式开关稳压电源13p 开关开关电源电源： 开关开关电源，是电源，是利用现代电力电子技术，控制开关晶利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关段的时间比率，维持稳定输出电压的一种体管开通和关段的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，它一般由脉冲宽度调制（电源，它一般由脉冲宽度调制（PWM）控制）控制IC和和MOSFET构成。构成。14

9、p 开关开关电源电源的优缺点：的优缺点： 调整管作为开关时，导通时（压降小）几乎不耗能量，调整管作为开关时，导通时（压降小）几乎不耗能量，关断时电流很小，也几乎不消耗能量，从而大大提高了转换关断时电流很小，也几乎不消耗能量，从而大大提高了转换效率，其功率转换效率可达效率，其功率转换效率可达80%以上。以上。152. PWM控制原理 图图3中开关中开关K以以一定的一定的时间间隔重复地接通时间间隔重复地接通和断开和断开。在开关在开关K接通时接通时，输入电，输入电源源E可可通过通过开关开关K和滤波电和滤波电路路提供给提供给负载负载RL为为负载提负载提供供能量。能量。 在开关K关断时为为使负载能得到连

10、续的能量开关稳压电使负载能得到连续的能量开关稳压电源必须要有一套源必须要有一套储能装置储能装置，在开关接通时将一部分能力储存，在开关接通时将一部分能力储存起来，在开关断开时向负载释放。起来，在开关断开时向负载释放。 图图3中由电感中由电感L电容电容C2用以用以储存能量，在开关断开时，储存在电感储存能量，在开关断开时，储存在电感L和和C2中的能量通过中的能量通过二极管二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量。图3 开关电源控制原理图16p AB间的电压平间的电压平均值均值U0可表示为：可表示为： p 由上式可知，开关接通时间和工作周期的比例改变，由上式

11、可知，开关接通时间和工作周期的比例改变，AB间电压间电压的平均值也随之的平均值也随之改变，因此，随着负载改变，因此，随着负载及输入电及输入电源电压的变化自动源电压的变化自动调整调整Ton和和T的比例，便的比例，便能使输出能使输出电压电压U0维持不变。维持不变。p 改变接通时间改变接通时间Ton和工作周期和工作周期T比例比例亦即改变脉冲的亦即改变脉冲的占空占空比。这里选择比。这里选择了开关了开关周期周期T恒定，通过恒定，通过改变改变脉冲宽度脉冲宽度Ton来来改变改变占空比，这种占空比，这种方式称为方式称为脉宽调制脉宽调制方式（方式（PWM），）， 用来实现对电压幅值频率的用来实现对电压幅值频率的

12、控制。控制。ETTonU*)/(017三三、利用、利用TMS320F2812产生产生SPWM波形波形18p SPWM(Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的，目前使）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的用较广泛的PWM法法.p 采样控制采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相相同。同。p SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律规律变化变化、而而和正弦波等效的和正弦波等效的PWM波形波形（即（即S

13、PWM波形波形）控制控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值出电压的频率和幅值1. 电压正弦PWM（SPWM）的基本思想19p如如图，把一个电压正弦半波图，把一个电压正弦半波N等分等分 （这里（这里N=5），可以把该正弦半波），可以把该正弦半波 看成由看成由N个相连的脉冲所组成的波个相连的脉冲所组成的波 形，这些形，这些脉冲宽度相等但幅值不

14、等脉冲宽度相等但幅值不等p根据采样控制理论中的面积等效根据采样控制理论中的面积等效 原理，把这些等宽不等幅的脉冲，原理，把这些等宽不等幅的脉冲， 用相等数量的用相等数量的等幅不等宽等幅不等宽的的 矩形矩形 脉冲序列来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的面脉冲序列来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的面 积相等，则这些脉积相等，则这些脉 冲的宽度是按正弦规律变化的。冲的宽度是按正弦规律变化的。p图图b所示的这些脉冲宽度按正弦规律变化、而与正弦波等效的所示的这些脉冲宽度按正弦规律变化、而与正弦波等效的PWM波形，就波形，就是希望开关电源的逆变器输出的是希望开关电源的逆变器输出的SPWM波形。由

15、于每个脉冲的幅值相等，所波形。由于每个脉冲的幅值相等，所以可对逆变器采用恒定的直流电源供电，而对逆变器各功率开关器件的开通以可对逆变器采用恒定的直流电源供电，而对逆变器各功率开关器件的开通与关断进行控制，其控制波形与图与关断进行控制，其控制波形与图b一致。一致。20p 在给出逆变器电路所期望输出正弦波的频率、幅值及半在给出逆变器电路所期望输出正弦波的频率、幅值及半个周期内的脉冲个数后，就能准确算出每个个周期内的脉冲个数后，就能准确算出每个PWM波形的波形的脉冲，即间隔。脉冲，即间隔。p 但这种方法计算较为繁琐，在实际应用中通常采用但这种方法计算较为繁琐，在实际应用中通常采用“调调制制”的方法，

16、把希望得到的正弦波作为调制波，受它调的方法，把希望得到的正弦波作为调制波，受它调制的信号作为载波。在制的信号作为载波。在SPWM调制中，载波通常为等腰调制中，载波通常为等腰三角波，因为等腰三角波的高度与宽度呈线性关系且左三角波，因为等腰三角波的高度与宽度呈线性关系且左右对称，当它与一个正弦波曲线相交时，在交点时刻控右对称，当它与一个正弦波曲线相交时，在交点时刻控制逆变电路中开关器件的通断，就可以得到一组幅值相制逆变电路中开关器件的通断，就可以得到一组幅值相等而脉冲宽度正比于正弦波曲线函数值的矩形脉冲，这等而脉冲宽度正比于正弦波曲线函数值的矩形脉冲，这就是就是SPWM法的基本思想法的基本思想。2

17、1p 产生电压产生电压SPWM波的方法：硬件方法和软件波的方法：硬件方法和软件方法方法p 硬件方法采用专用集成电路，如硬件方法采用专用集成电路，如SA4828，HEF4752，SLE4520等等；p 软件方法是使电路成本最低，通过实时计算来软件方法是使电路成本最低，通过实时计算来生成生成 软件方法产生软件方法产生SPWM波，实时计算对控制器的运算速波，实时计算对控制器的运算速度要求非常高，高性能的度要求非常高，高性能的DSP无疑是能满足这一要求的最理无疑是能满足这一要求的最理想的选择。想的选择。2.产生电压SPWM波的方法22p 用用软件方法软件方法产生电压产生电压SPWM信号信号，需要需要通

18、过通过实时计算来实时计算来生成生成SPWM波波。p 电压电压SPWM信号实时计算的数学模型信号实时计算的数学模型 这里介绍逼近程度最好的这里介绍逼近程度最好的不对称规则采样不对称规则采样法法3. SPWM的DSP控制算法23不对称规则采样法生成SPWM波（1）采样时刻t2（低点）：（2）根据三角形相似，有：（3） toff1=Tc/4-a ton1=Tc/4+a采样时刻t1（顶点）： ton2=Tc/4+b toff1=Tc/4-b24不对称规则采样法生成SPWM波（4）（5）（6） t1=Tc/2*k （k=0,2,4，2N-2 顶点采样） t2=Tc/2*k （k=1,3,5，2N-1 底点采样）25不对称规则采样法生成SPWM波（7）26所以，对顶点采样：所以，对顶点采样：对底点对底点采样采样：不对称规则采样法生成SPWM波