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F28335 ePWM模組簡介——TMS320F28335學習筆記(四)

1 PWM控制基本原理
我們目前很多電力應用都是採用的正弦交流電,下面我們就來看一下如何用一系列脈衝來代替一個正弦半波。把正弦半波分成N等份,就可以把正弦半波看成是由N個彼此相連的脈衝序列所組成的波形。
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如圖所示,這些脈衝寬度相等,但幅值不等,且脈衝頂部不是水平直線,而是曲線,各脈衝的幅值按正弦規律變化。如果把上述脈衝序列利用相同數量的等幅而不等寬的矩形脈衝代替,使矩形脈衝的中點和相應的正弦波部分的中點重合,且使矩形脈衝的相應的正弦波部分面積(衝量)相等,就得到圖所示的脈衝序列。這就是PWM波形。可以看出,各脈衝的幅值相等,而寬度是按正弦規律變化
根據面積等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的。對於正弦波的負半周,也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈衝寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形,也稱SPWM(Sinusoidal PWM)波形。
要改變等效輸出正弦波的幅值時,只要按照同一比例係數改變上述各脈衝寬度即可。

2 PWM控制的應用
PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種,微控制器輸出的電平一般都是確定的,所以一般調整微控制器輸出矩形脈衝的佔空比,就可以輸出等幅不等寬的PWM波,微控制器輸出的PWM波功率有限,主要是用來驅動功率開關管的。通過對功率開關器件的開關控制,可以輸出更大功率更多形狀的PWM波形,將功率開關器件的開關拓撲邏輯組合變化,就可以輸出不等幅即多電平的大功率PWM波形。PWM就像大功率DA轉換器一樣,將數字訊號轉換為模擬訊號,只是PWM是用調製脈寬的方法來將數字訊號等效替代模擬訊號。也可以認為PWM電路就是一類特殊DA電路。
PWM控制一般就包括兩部分電路,一部分是功率開關管組成的功率電路,另一部分是由微控制器組成的來驅動開關管的驅動電路。微控制器產生的單週期PWM驅動訊號本身很簡單,主要包括四個要素,週期、脈寬、脈衝相位、脈衝個數,但是每個週期的脈衝波形的寬度會變化,有時對脈衝的具體相位也有要求,脈衝寬度如何具體調製,這就要根據具體的控制場合以及功率電路來進行演算法研發,詳情要參照PWM控制相關技術,我們下邊主要介紹的是F28335如何產生最初的這個脈衝波形,並且每個週期的脈衝波形寬度以及具體相位都是可以配置和調整的。
目前PWM控制技術應用已經極為廣泛,在電機拖動、電機控制、整流、逆變、有源電力濾波(APF)、靜止無功發生器(SVG)、統一潮流控制器(UPFC)、超導儲能(SMES)、LED調光、開關電源等眾多領域都有重要應用。

3 TMS320F28335的ePWM結構及組成單元
F28335的PWM模組是加強模組,這個加強表現在它各個ePWM的獨立性,每個ePWM小模組都由兩路ePWM輸出組成,分別為ePWMxA和ePWMxB,
這一對PWM輸出,可以配置成三種輸出

  • 兩路獨立的單邊沿PWM輸出
  • 兩路獨立的但互相對稱的雙邊沿PWM輸出
  • 一對雙邊沿非對稱的PWM輸出

F28335共有6對這樣ePWM模組,因為每對PWM模組中的兩個PWM輸出均可以單獨使用,所以也可以認為有12路單路ePWM。
另外還有6路加強版PWM,是通過CAP模組配置而來,所以F28335可以認為由18路PWM輸出,這是非常強大的。

結構圖如下圖所示:
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總體而言,PWM模組是由七個模組組成,

  • 時基模組 TB
  • 比較計數模組 CC
  • 動作模組 AQ
  • 死區模組 DB
  • PWM斬波模組 PC
  • 事件觸發模組 ET
  • 聯防模組 TZ

每個模組各自作用如下:
TB :為輸出PWM產生始終基準TBCLK,配置PWM的時鐘基準計數器TBCTR,設定計數器的計數模式,配置硬體或軟體同步時鐘基準計數器,確定ePWM同步訊號輸出源;
CC:確定PWM佔空比,以及ePWM輸出高低電平切換時間;
AQ:確定計數器和比較暫存器匹配時產生動作,即ePWM 高低電平的切換;
DB:配置輸出PWM上升沿或下降沿延時時間,也可以將A、B兩通道配置成互補模式,我做的逆變器就是將ePWM配置成互補模式。死區時間可以程式設計確定;
PC:產生高頻PWM載波訊號;
TZ:當外部有錯誤訊號產生時,對PWM輸出進行相應處理,比如全置高,或拉低,或置為高阻態,從而起到保護作用。當然該功能也可以通過軟體強制產生;
EZ:使能ePWM中斷,使能ePWM觸發ADC取樣,確定事件產生觸發的速度和清除相關事件標誌位。
ePWM模組的7個模組就像一條生產線,一級一級的經過,但DSP更高階,可以實現通過配置,使得ePWM只經過我選擇的生產線,沒有被選擇上的就不要經過。例如,死區控制模組可以需要也可以不需要,這就看實際系統需不需要了。在實際使用ePWM時,正常的發出PWM波往往只要要配置TB、CC、AQ、DB、ET五個模組。
小結:
因為我們是做控制的,PWM模組是重中之重。PWM的原理我們瞭解即可,在F28335的應用中最主要的還是這七個模組的配置。PWM最基本的屬性週期頻率,幅值,佔空比,死區時間,故障保護還有與其他ePWM模組的配合,都是通過配置以上模組中的暫存器來實現的,在我們能夠了解這些原理之後,做實驗自己配置下載到晶片中,並在示波器裡觀察波形,這樣才能做到熟悉和了解,後面的文章將具體的記載ePWM各個模組的暫存器配置。