基于TMS320LF2407的对称PWM设计.doc

电气与电子信息工程学院DSP芯片及其应用期末报告 题 目： 基于DSP的PWM设计 专业班级： 学 号： 2009 学生姓名： 指导教师： 2011年12月25日目 录摘要3第1章 引言4第2章 基本原理42.1脉宽调制技术42.2直流电动机控制原理5第3章 硬件部分63.1 DSP事件管理器63.1.1 定时器73.1.2 定时器计数方式73.2 PWM产生电路83.2.1 PWM产生电路结构83.2.2 PWM波形发生器的特征93.3 硬件流程图10第4章 软件部分104.1 软件流程图104.2 寄存器的配置114.2.1 定时器设置114.2.2 I/O引脚配置124.2.3 动作控制寄存器配置124.2.4 比较控制寄存器配置134.2.5 配置死区134.2.6周期寄存器和比较寄存器配置13第5章 设计过程14参考文献15摘 要 数字化电机控制技术的发展使得电机这一古老的能量转换装置得到了新的发展和广泛应用，本文着重介绍了如何利用美国德州仪器(TI)公司生产的TMS320LF2407 DSP中的事件管理器模块来产生6路3对占空比不同的对称PWM波形及其控制直流电机的基本原理。关键词事件管理器 脉宽调制 直流电机 DSPAbstract The development of the digitized motor control technology has made motor which ancient electrical energy conversion device a new and wider application ,This article describes how to use the TMS320LF2407 DSP event management produced by US Texas Instruments (TI) company to Produced 6 groups 3 pairs and have different duty cycle symmetric PWM and the motor control base tenets.Key word EV PWM Motor DSP第1章 引 言近年来，直流电动机的控制方式发生了很大的变化，新技术不断涌现，如模糊神经网络速度控制等技术，但是采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（Pulse Width Modulation,简称PWM）控制方式由于实现方法简单，成本低，还是成为绝对主流。PWM脉冲波的产生方法有很多，最早期的方法是多种逻辑电子元件组成PWM信号电路，但是现在已经被淘汰了。后来产生的利用利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出。但是这种方法要占用CPU大量时间，使单片机无法进行其它的工作，因此也逐渐被淘汰。自从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，DSP以运算速度快为显著特征，电动机的数字控制既要求控制器有强大的I/O控制功能，又要控制器有高速的信号处理能力以实现实时控制，各大DSP生产厂商将DSP的高运算速度与单片机的高控制能力结合，开发出电动机控制的专用DSP。如TI公司的LF2407芯片，东芝公司的2SK3131芯片等。它具有的高速预算性能，可以实现诸多如模糊控制等复杂的控制算法。这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能。这种专用PWM集成电路可以减轻单片机的负担，工作更可靠，使外围硬件最少。因而可以说这种DSP是目前用于电动机控制中功能最强大的控制器。一个电动机DSP 控制的普及时代已经来临。所以研究如何利用现有的DSP芯片来产生PWM信号有着较大的研究意义与实际意义。第2章 基本原理2.1脉宽调制技术 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 PWM（Pulse Width Modulation）控制脉冲宽度调制技术，就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 其理论基础为冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 低频段非常接近，仅在高频段略有差异。2.2直流电动机控制原理直流电动机的转速控制方法可以分为两类：对励磁磁通进行控制和对电枢电压Ua进行控制的电枢电压控制法。励磁控制法是在电动机电枢电压保持不变，通过几条励磁电流来改变励磁磁通，从而实现调速的。这种方法调速范围小，在低速的情况下受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应差，所以这种方法用的很少。电枢电压控制法是在保持励磁磁通不变的情况下，通过调整电枢电压来实现调速的。在调速时，保持电枢电流不变，即保持电动机输出转矩不变，可以得到具有恒转矩特性的大的调速范围，因此大多数场合都使用电枢电压调速法。对电动机的驱动离不开半导体功率器件，在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可以分为：线形放大驱动方式和开关驱动方式。绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制（PWM）来控制电动机电枢电压，实现调速。占空比代表了一个周期T里，开关管导通的时间长短与周期的比值。占空比的变化范围为0。当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变占空比的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。TMS320LF240x系列电动机专用DSP集成了PWM控制信号发生器，它可以通过调整事件管理器的定时器寄存器来设定PWM工作方式和频率，通过调整比较值寄存器来调整PWM的占空比，通过调整死区控制寄存器来设定死区时间，通过专用的PWM输出口输出占空比可调的带有死区PWM控制信号从而省去了其他控制器所用的外围PWM波发生电路和时间延迟（死区）电路。电动机专用DSP的高速运算功能可以实现直流电动机的实时控制，通过软件实现名副其实的全数字控制。因此使用DSP控制直流电动机可以获得高性能和低成本。第3章 硬件部分3.1 DSP事件管理器事件管理器（EV）是专门为电动机 控制而设计的专用模块。他能够产生可调死区的PWM波，可通过增量式光电编码接口测量电动机转速、转向和角转移，通过捕捉功能测量脉宽。TMS320LF2407包含了两个事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器模块都包括：两个定时器、三个比较单元、三个捕获单元、一个增量式光电编码接口。EVA和EVB两个事件管理器功能和使用方法完全相同。2407DSP内核数据总线 ADDR 总线复位INT1、2、3、4时钟 EV控制寄存器和控制逻辑定时器1输出逻辑定时器比较输出逻辑全比较单元预定标死区带宽单元输出逻辑定时器2SVPWM状态机定时器2比较预定标MUX捕获单元QEP电路ADC转换开始T1CMPT1PWMTDIRAPWM1PWM6TCLKINACLKOUTT2CMPT2PWMCLKOUTTCLKINATDIRAT2CON4，5T2CON8,9,10DIRCLOCKCAPCONA14,13CAP1/QEP1CAP2/QEP2CAP3T1CON4，5T1CON8,9,10图1事件管理器结构图3.1.1 定时器定时器是事件管理器的核心模块，有如下功能：作为常规定时/计数器使用。用于在TxPWM引脚上输出频率和脉宽可调的PWM波。与捕捉模块结合测量CAPx引脚上的脉宽。定时器1与比较模块配合产生死区可调的6个PWM控制信号。定时器2可服务于增强式光电编码接口，测量电动机转向。启动A/D转换。定时器1可以有两个时钟来源：一个是内部时钟；另一个是来自TCLKINA引脚的外部时钟。两种时钟都必须先经过预分频器进行分频。引脚TDIRA提供定时器计数方向信号。定时器1还伴有一个比较寄存器，实现可以存放一个比较值，当定时器的计数值与比较寄存器的值相等时，就会在T1PWM引脚上产生输出跳变，并触发中断。定时器1还可以服务于三个比较单元，用于在PWM1PWM6引脚上输出6个带有死区的PWM控制信号。本课题要求利用用定时器1和比较单元的比较来产生PWM的输出。3.1.2 定时器计数方式（1） 停止/保持方式 在这种方式下，定时器停止计数并保持当前状态不变。（2） 连续增计数方式 在连续增计数方式下，定时器连续加计数，知道计数值等于周期寄存器的周期值为止。然后复位为0，重新开始下一轮计数。（3） 定向增/减计数方式当TIDRA引脚高电平时，计数器进行增计数操作，这种情况下与连续增计数方式一样；当TIDRA引脚低电平时，计数器进行减计数操作，当减大0时，计数器自动以周期寄存器的值为初值重新装入，并开始新一轮的计数。（4）连续增/减计数方式 在连续增/减计数方式下，TDIRA引脚不再控制计数器的计数方向。只有在计数器的计数值等于周期寄存器的值的（增计数），或者计数器的计数值为0时（减计数），计数方向才会自动改变。一个定时器的操作模式由他的控制寄存器TxCON决定。他决定如下功能：定时器处于4种计数模式的那3种。定时器使用内部CPU时钟还是外部时钟。使用8种输入时钟预定标因子（范围从1至1/128）中的哪种。哪种条件下，定时器比较寄存器被重载。通用定时器是使能还是禁止。事件管理器EVA模块和EVB模块分别有三个全比较单元，每个比较单元都有两个相应的PWM输出。比较单元的时基由通用定时器1（EVA模块）和通用定时器（EVB模块）提供。每个事件管理器模块的比较单元包括：3个16位的比较寄存器，它们各带一个相应的映像寄存器（可读写）。一个16位的比较控制寄存器COMCONA/B，该寄存器也为可读写。一个16位的动作控制寄存器ACTRA/B。6个PWM（三态）输出（比较输出）引脚。控制和中断逻辑。比较单元的功能结构图如下：计数器比较逻辑 CMPRx全比较寄存器（映像寄存器PWM电路输出逻辑ACTR动作控制寄存器（映像寄存器）PWMy,y+1图2 比较单元功能结构图3.2 PWM产生电路3.2.1 PWM产生电路结构对于每个EV模块，与比较单元相关的PWM电路使带有可编程死区和输出极性的6路PWM输出成为可能，EVA模块的PWM电路包括以下几个功能单元：非对称/对称波形发生器。可编程的死区单元（DBU）。输出逻辑。空间向量（SV）PWM状态机。同步/异步波形发生器COMCONA11-13SVPWM状态机比较匹配GP1标志MUXPHxx-1,2.3死区单元COMCONA12DBTCONA死区定时控制寄存器DTPHxDTPHx输出逻辑ACTR全比较动作控制寄存器PWM1PWM6COMCONA9ACTRA12-15图3 PWM 产生电路3.2.2 PWM波形发生器的特征每个事件管理器（A或B）的PWM波形发生器的特征概括如下：有5个独立的PWM波形输出，其中三个由比较单元产生，另外两个由GP定时器产生，3个比较单元PWM波形还会产生3个附加的PWM波形输出，也即3个带有可编程死区控制的比较单元产生独立的3对（即6个）输出。所以每个事件管理器总共有8个PWM波形输出。用于与比较单元相对应的PWM输出可变成死区单元。最小的死区宽度为1个CPU时钟周期。1个CPU时钟周期的PWM脉宽或脉宽增/减量。16位的最大PWM分辨率。功率驱动保护中断。可编程的对称，非对称以及空间向量PWM波形。自动重装载的比较和周期寄存器使CPU的负担更小。PWM载波频率的快速变化。PWM脉宽的快速变化。3.3 硬件流程图根据选定的设计方案，综合DSP 原理和事件管理器，可以画出本次设计的硬件流程图为：信号检测与条例A/D保护逻辑A/DTMS320LF2407输出逻辑数据地址RAMPWM波形输出电机输出电压输入电源输入电压同步中断图4 硬件流程图第4章 软件部分4.1 软件流程图本次设计的程序流程图如下：开始系统初始化存储空间分配配置相应的寄存器清除中断信号设置相应的中断屏蔽寄存器等待启动信号有启动信号YESNO输出对称PWM波形入口堆栈保护判断指针是否在某个范围内？正弦表标志清零同步标志置一返回NOYES图5 主程序流程图 图6 同步中断子程序流程图4.2 寄存器的配置4.2.1 定时器设置要产生一个PWM信号，需要有一个合适的定时器来重复的产生一个与PWM周期相同的计数周期。一个比较寄存器保持着调制值，比较寄存器的值不断的与计数器的值相比较，当两个值相匹配时，在相应的输出上就会产生一个转换（从低到高或从高到低）。当两个值之间第二次匹配产生或一个定时器周期结束，相应的输出又会产生一个转换（从高到低或者从低到高）。通过这种方法所产生的输出脉冲的开关时间就会与比较寄存器的值成比例。在每个定时器周期中，这个过程都会出现。这样在相应的输出就会产生一个PWM信号。而对称PWM与非对称PWM相比，优势在于有它在一个周期内有两个相同的无效区段（每个PWM周期的开始和结束处）。当使用正弦波调整时，已经证明在交流电动机和直流无刷电动机的相电流对称的PWM信号比非对称的PWM信号引起的谐波失真更小。在上面也提过，产生对称的PWM波形采用的定时器工作模式是连续增/减计数模式，在整个PWM波形发生的一个周期内通常有两次比较匹配，一次在周期匹配前的增计数期间，另一次是在周期匹配后的减计数期间，新的比较值在匹配后就更新了比较寄存器中的值，从而可以提前或推迟PWM脉冲的第二个边沿的到来。根据定时器控制寄存器的各位设置，我把T1CON的计数工作方式设置连续增/减计数（位1211=01），输入时钟不分频（位108=000），定时器时钟源选择为内部时钟（位54=00），定时器的比较重装条件为计数为0时重装（位32=00），定时器比较不允许（位1=0），以及使用自己的周期寄存器（位0=0），并且使时钟处于不工作状态（位6=0），这样T1CON的值就成为0800，我们可以在程序各个寄存器都初始化完毕之后的写入语句“T1CON=T1CON|0x0040;”来使寄存器第6位为1来进行定时器1的启动操作。4.2.2 I/O引脚配置TMS320LF2407有多达41个通用双向的数字I/O引脚。其中大多数是基本功能和一般I/O复用引脚，其大多数I/O引脚可以来实现其他功能。数字I/O模块采用了一种灵活的方法以控制专用I/O和复用I/0引脚的功能，这些功能可以通过9个16位控制寄存器来设置，这些寄存器分两类：I/O复用控制寄存器（MCRx）：用来选择I/O引脚基本功能或者一般I/O引脚功能；数据和方向控制寄存器（PxDATDIR）：当I/O引脚作为一般引脚功能时，用数据和方向控制寄存器可控制数据和I/O引脚的数据方向，这些引脚直接和I/O引脚相连在这个设计中，我们只会用到MCRA（I/0复用动作控制寄存器）地址为7090h。课题要求产生6路3对对称的PWM输出，那么，我们选择的6个引脚为PWM1PWM6，根据上表，我把此6个引脚配置为基本功能，那么很容易设置出复用控制寄存器（MCRA）的值为MCRA=0x0fc04.2.3 动作控制寄存器配置如果使能了比较操作，当比较动作发生时，那么动作控制寄存器就控制6个比较输出引脚（PWMx，对于ACTRA寄存器，x=16）的动作ACTRA是双缓冲的，它们重装条件由比较控制寄存器的相应位来决定。根据课题要求，我选择PWM1,3,5低有效，PWM2,4,6高有效，所以将动作空子后寄存器ACTRA配置为ACTRA=0x0999。4.2.4 比较控制寄存器配置在本次课题中，我们要求使能比较位的操作，并且禁止空间向量PWM。各个寄存器重载条件都为T1CNT=0，所以我们得到该寄存器的值，COMCONA=0x8200。4.2.5 配置死区EVA和EVB模块都有他各自的可编程死区单元（DBTCONA/B）它们有如下特点：一个可读/写的16位死区控制寄存器DBTCONx；一个输入时钟预分频器：X/1，X/2，X/4，X/8，X/16，X/32；内部CPU时钟输入；3个4位减计数定时器；控制逻辑。设计要求死区要求配置到各个PWM输出，并且插入死区的值为3.2us,那么该寄存器的值为DBTCONA=0x08F8。4.2.6周期寄存器和比较寄存器配置要产生对称的PWM波形，除了以上的那些寄存器配置之外，还需要配置周期寄存器，比较寄存器，其中，周期寄存器和比较寄存器可以按照自己所需要的数值来配置，这样可以改变PWM波的占空比在此课题中，要产生的3对PWM波我分别配置了相同的周期为150us和3个不同的比较寄存器的值来产生不同的占空比。根据DSP 工作在40Mhz可以得到计数器的周期为TIPR=6000比较寄存器将决定PWM波形的占空比，其中周期的值必须大于比较寄存器才可以正确的产生波形。根据上面的计算，得知：CMPR1=0x1000，CMPR2=0x3000; CMPR3=0x5000。第5章 设计过程首先运行CCS（Code Composer Setup），选择相应的系统配置，并且选择I/O地址为0X378，保存好配置后，然后对实验板供电。然后在CCS中新建一个工程名称为pwm（Project/New），将编写好的程序添加进当中(Project/Add Files to Project ),点击对该程序进行编译,汇编，连接，生成可执行文件.OUT（Project/Build）,并且将程序载入到DSP中进行运行（Option/Program Lord）. 将示波器的探头连接到实验板的PWM1引脚观察其波形是否正确，并且依次对PWM26引脚进行相同的操作，并观察波形。参考文献1 电动机DSP控制TI公司的DSP应用 北京：北京航空航天大学出版社 王晓名，王玲。2004.72 TMS320LF240x DSP应用程序设计教程 北京：机械工业出版社，清源科技著，2003.73 TMS320LF240x DSP C语言开发应用 北京：北京航空航天大学出版社 刘和平，王维俊，江渝，邓力，等2003.1。4 TMS320LF240x DSP硬件开发教程 北京：机械工业出版社 江思敏，2003.65 电机的DSP控制技术及其应用 北京：北京航空航天大学出版社 谢宝昌 任永德 2005.36 DSP芯片的原理与开发应用第2版 北京：电子工业出版社 2000.77 电气传动的脉宽调制控制技术 北京：机械工业出版社 臧英杰 1998.3 8 现代直流伺服控制技术及其系统设计 北京：机械工业出版社 秦继荣 1999.2 9 DSP基础与应用