DS原理基础及其设计 3

DSP原理与应用PrincipleandApplicationofDSP长沙师范学院信息科学与工程学院07第七章TMS320C6748控制外设及其应用学容eHRPWM工作原理与子模块eCAP脉冲捕获模块123习内步进电机控制7.1增强型高精度脉宽调制模块（eHRPWM）脉冲宽度调制（PWM）：利用微处理器的数字信号输出对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、电机控制、功率控制与变换等领域。eHRPWM的特点：在常规ePWM模块的基础上扩展了时间精度，在高频（>250kHz）下仍能保持11~14位时间精度；能实现更精细的时间间隔控制和边沿定位，适用于电源转换拓扑所需的高频PWM。TMS320C6748具有两路eHRPWM模块，每路eHRPWM模块由两个PWM输出组成，即EPWMxA和EPWMxB。7.1增强型高精度脉宽调制模块（eHRPWM）eHRPWM模块构成：时基（TB）计数-比较（CC）动作限定（AQ）死区控制（DB）PWM斩波（PC）故障控制（TZ）事件-触发（ET）高精度脉宽调制器（HRPWM）7.1增强型高精度脉宽调制模块（eHRPWM）各子模块信号流向：1.时基（TB）模块：同步输入EPWMxSYNCI/同步输出EPWMxSYNCO用于各ePWM模块通道的同步化处理；ePWM1的同步输出连接到第一个eCAP模块的SYNCI；2.计数-比较（CC）模块：

计数值CTR与比较寄存器CMPA、CMPB比较，产生两个匹配事件（CTR=CMPA、CTR=CMPB）；7.1增强型高精度脉宽调制模块（eHRPWM）3.动作限定（AQ）模块：根据四个匹配事件（CTR=PRD、CTR=0、CTR=CMPA、CTR=CMPB）决定两路输出EPWMxA/EPWMxB的动作；4.死区控制（DB）模块：通过延时和信号选择实现PWM波形的死区控制；7.1增强型高精度脉宽调制模块（eHRPWM）5.PWM斩波（PC）模块：用高频载波调制PWM波形，用于脉冲变压器驱动门极的场合；6.故障控制（TZ）模块：系统故障时强制两路PWM输出状态（引脚TZ表示外部故障）；7.事件-触发（ET）模块：管理TB/CC产生的事件，向CPU发出中断。7.1.2.1时基（TB）模块主要功能：为eHRPWM模块提供事件时序，并管理与其它eHRPWM模块的时基同步。

时基时钟TTBCLK

由系统时钟SYSCLKOUT经过预分频获得：

TTBCLK

=(HSPCLKDIV×CLKDIV)×Tsysclkout其中HSPCLKDIV与CLKDIV均为时基控制寄存器TBCTL中的控制位。PWM事件的频率由时基周期寄存器TBPRD和时基计数器的工作模式控制。TB模块相关寄存器：时基控制寄存器TBCTL、时基状态寄存器TBSTS、HRPWM扩展相位寄存器TBPHSHR、时基相位寄存器TBPHS、时基计数寄存器TBCNT、时基周期寄存器TBPRD与时基周期映射寄存器。时基计数器TBCNT有三种计数模式：1.递增计数模式：从0增加到TBPRD（CTR=TBPRD）后复位到0开始下一周期；TPWM=(TBPRD+1)×TTBCLK2.递减计数模式：从TBPRD递减到0后重新装载TBPRD开始下一周期；TPWM=(TBPRD+1)×TTBCLK3.递增/递减计数模式：从0增加到TBPRD，再递减到0开始新周期；TPWM=2×TBPRD×TTBCLK7.1.2.1时基（TB）模块同步机制使ePWM模块能够自动与另一个ePWM模块的时间基准同步；用户可以为不同的ePWM模块添加领先或滞后相位控制以实现同步。当TBCTL[PHSEN]=1时，时基（TB）模块检测到同步输入脉冲EPWMxSYNCI或软件强制同步脉冲（向TBCTL[SWFSYNC]写“1”）时发生同步事件，时基计数器TBCNT加载相位寄存器TBPHS的值。在增减计数模式下，TBCTL[PHSDIR]决定同步事件后的计数方向：为“1”时同步之后递增计数；为“0”时同步之后递减计数。递增/递减模式下方向不变。清除TBCTL[PHSEN]位将配置ePWM忽略同步输入脉冲，但同步脉冲仍可继续传递到EPWMxSYNCO并用于同步其他ePWM模块。7.1.2.1时基（TB）模块7.1.2.2计数-比较（CC）模块功能：将时基计数器的值CTR分别与计数比较寄存器A(CMPA)、B(CMPB)比较，产生比较事件（CTR=CMPA、CTR=CMPB）；CC模块与AQ模块配合控制PWM的占空比。若CMPA、CMPB处于0x0000h~TBPRD之间：递增/递减计数模式每个时钟计数周期内比较事件只发生一次；递增/递减计数模式发生两次。7.1.2.2计数-比较（CC）模块计数比较寄存器CMPA和CMPB的加载方式有两种：立即加载和映射加载。立即加载：如果TBCTL[SHADWAMODE]=1或TBCTL[SHADWBMODE]=1，则读出或写入寄存器将会直接进入到有效寄存器（CMPA和CMPB）。映射加载：如果TBCTL[SHADWAMODE]=0或TBCTL[SHADWBMODE]=0，映射寄存器的值将在下列事件之一发生时加载到有效寄存器中：----CTR=PRD：时基计数器等于周期值（TBCNT=TBPRD）；----CTR=0：时基计数器等于0（TBCNT=0000h）；----CTR=PRD或CTR=0。7.1.2.3动作限定（AQ）模块

作用：制定四个比较事件（CTR=PRD、CTR=0、CTR=CMPA、CTR=CMPB）转化为EPWMxA/EPWMxB输出状态的规则。每个比较事件发生时，EPWMxA/EPWMxB可执行四种动作之一：置高（强制输出高）；置低（强制输出低）；翻转（输出电平取反）；无动作。调整计数比较寄存器（CMPA、CMPB）或者时基周期寄存器TBPRD可以改变PWM波形的占空比。AQ模块对EPWMxA/EPWMxB的输出规则：无动作：保持当前输出状态；清除为低：强制EPWMx输出低电平；设置为高：强制EPWMx输出高电平；反转：输出电平翻转（低→高、高→低）。表中行为四种动作，列为TB计数器等于0、CompA、CompB、周期值时的动作选择，S/W强制为软件强制事件。7.1.2.3动作限定（AQ）模块典型PWM波形（一）——递增计数模式单边非对称波形（a）高电平有效（b）低电平有效典型PWM波形（二）——递增/递减计数模式双边沿对称波形（a）低电平有效（b）互补型典型PWM波形（三）——递增/递减计数模式双边沿非对称波形7.1.2.4死区控制（DB）模块应用背景：DSP用于电机控制或逆变电路时，由于功率器件存在关断时间、信号延迟等问题，PWM信号驱动功率元件时需要设置适当的延时（死区），以保证桥臂上的一个功率器件完全关闭之后再打开另一个功率器件。死区时间：PWM输出时，为使上、下半桥的两个功率器件不会同时导通而设置的一个保护时间。

工作原理：DB模块的输入信号是AQ模块的ePWMxA/ePWMxB输出信号，从中选择一个作为上升沿（RED）延时或下降沿（FED）延时的信号源（图7-18）；RED/FED延时由10位寄存器DBRED/DBFED编程：RED=DBRED×TTBCLK，FED=DBFED×TTBCLK七种典型死区模式：旁路（无延时）单边延时模式（仅一路延时,RED/FED）：高电平有效互补（AHC）低电平有效互补（ALC）；高电平有效（AH）；低电平有效（AL）；7.1.2.4死区控制（DB）模块7.1.2.5PWM斩波（PC）模块功能：通过高频载波信号对DB模块产生的输出信号EPWMxA/EPWMxB进行调制，主要应用于控制高频开关管的电路（如需要脉冲变压器驱动电力开关管门极的系统）。PC模块的时钟由SYSCLKOUT分频得到，输出频率和占空比由PCCTL寄存器的CHPFREQ和CHPDUTY位控制：•斩波时钟频率=SYSCLKOUT/(CHPFREQ+1)；•斩波时钟占空比=(CHPDUTY+1)/8；7.1.2.6故障控制（TZ）模块

7.1.2.7事件触发（ET）模块

事件-触发（ET）模块：管理由TB模块和CC模块产生的四种匹配事件，触发中断请求（EPWMxINT信号）。可配置为每个事件、每两个事件或每三个事件触发一次中断。7.1.2.8高精度脉宽调制器（HRPWM）HRPWM用于扩展传统ePWM模块的时间精度，适用于电源转换拓扑所需的高频PWM。HRPWM基于微边沿定位器（MEP，MicroEdgePositioner）技术：对常规PWM发生器的原时钟进行细分，按255个（8位）离散时间步长放置边沿，每个时间步长约150ps的时间精度。MEP步由比较A扩展寄存器CMPAHR中的8位段控制）：粗略步数=整数(占空比×周期)，细分步数=小数(占空比×周期)×(MEP步长因子)。通过对HRPWM配置寄存器HRCNFG编程，可配置三种操作模式：边沿模式（EDGMODE）：通过MEP实现对上升沿（RE）、下降沿（FE）或双边沿（BE）的精确位置控制——FE/RE用于占空比控制的电源拓扑，BE用于相移控制的拓扑；控制模式（CTLMODE）：选择控制MEP的寄存器——CMPAHR（占空比控制模式）或TBPHSHR（相位控制模式）；映像模式（HRLOAD）：常规PWM模式下提供双缓冲选择，仅在CMPAHR有效，加载时机与CMPA相同（CTR=0或CTR=PRD）。7.1.2.8高精度脉宽调制器（HRPWM）7.1.3eHRPWM控制H半桥电路设计单个ePWM模块可以实现对一个H半桥的控制。右图为C6748的两个eHRPWM模块控制两个同步H半桥的原理图：主（Master）eHRPWM模块的同步输出信号接到从（Slave）eHRPWM模块的同步输入信号端，实现两个模块的同步控制。主模块时基相位Φ=0°，经SyncOut→SyncIn传递给从模块，两桥臂PWM频率满足F_PWM2=N×F_PWM1的倍频/同步关系。

7.1.4PWM信号输出实例【例7-1】任务：TMS320C6748输出频率为10K、占空比50%（可调节范围20%~80%）的PWM波形。任务电路原理图如图7-33所示：HRPWM1模块输出引脚EPWM1_A、EPWM1_B（连接器CON2的21、23引脚）输出对称的PWM波。【例7-1】任务核心代码流程（1）中断初始化与时间基准配置

PWMInterruptInit()：注册并映射事件中断（INT4）与TZ错误中断（INT5）；（2）时间基准配置PWM1AConfig()：时间基准配置——时钟分频、周期与频率设置（递增计数）、禁用输入/输出同步、仿真模式行为。（3）加载比较器A/B值：CMPA=(模块时钟/分频/目标频率)×占空比/100，决定占空比；CMPB置0；（4）动作限定配置：时间基准计数等于有效比较寄存器A/B值时EPWM1_A/EPWM1_B翻转。（5）本例输出对称独立PWM，死区模块旁路、斩波禁用、错误事件禁用；（6）事件触发：每三次事件产生一次中断，事件源为“TB计数等于CMPB（递增）”；7.1.4PWM信号输出实例7.2增强型脉冲捕获模块（eCAP）

eCAP（EnhancedCapture）主要应用于测量信号的频率、占空比、脉冲时间长度等，也可作为单通道APWM输出。工作原理：通过捕获输入信号的边沿信号，并触发事件来记录内部时钟的脉冲数，从而换算输入信号高低电平持续的时间长度。

模块构成：专用输入捕获引脚、32位时基计数器、4个32位时间戳捕获寄存器（CAP1~CAP4）、边沿与极性检测和预分频器等。7.2.1捕获工作模式捕获工作模式流程：1.预分频：输入信号经预分频器进行N分频（N=2至62，以2为倍数，由ECCTL1[PRESCALE]控制）；2.边沿检测：由四个独立的边沿极性选择器触发捕获脉冲信号的上升沿或下降沿事件；3.事件限定：事件选择控制器（模4计数器Mod4）限定每个捕获边沿事件的动作——捕获边沿事件发生时装载CAP1~CAP4的值、计数器是否复位（CTRRSTx）；（1）连续/单次控制模式由ECCTL2的[CONT/ONESHT]位决定；•连续控制模式：每个捕获触发事件使Mod4计数器递增1，Mod4计数器持续计数（0→1→2→3→0）并循环运行，捕获值连续装入CAP1~CAP4寄存器；•单次控制模式：使用2位停止寄存器ECCTL2[STOP_WRAP]与Mod4计数器输出进行比较，相等时停止Mod4计数器并禁止对CAP1~CAP4的后续加载；RE-ARM位可重新启动单次捕获。7.2.1捕获工作模式（2）32位TSCTR计数器与相位控制

32位TSCTR计数器直接由系统时钟SYSCLK驱动，无预分频。四个事件加载信号均可选择复位32位TSCTR计数器，当任意LD1-LD4信号触发时，首先捕获32位计数器当前值，随后将其复位至0。7.2.1捕获工作模式（3）CAP1-CAP4捕获寄存器CAP1-CAP4捕获寄存器由32位TSCTR计数器定时器总线CTR[0-31]提供数据，当各自的LD输入信号被触发时进行加载（捕获时间戳）。捕获寄存器的加载可通过控制位CAPLDEN进行禁止。在单次触发操作期间，当满足停止条件（StopValue=Mod4）时，该位会自动清零（禁止加载）。7.2.1捕获工作模式7.2.2APWM工作模式APWM模式利用eCAP内部资源实现单通道PWM发生器（具备32位功能）。计数器以递增计数模式运行，为非对称PWM波形提供时间基准。CAP1、CAP2分别作为有效周期寄存器和比较寄存器；CAP3、CAP4分别作为周期和比较影子寄存器。7.2.3中断控制eCAP模块有7个事件中断源：捕获事件：CEVT1~CEVT4（四个捕获边沿事件）；APWM事件：CTR=PRD（周期匹配）、CTR=CMP（比较匹配）；计数器溢出事件：CTROVF。

中断工作逻辑：中断使能寄存器ECEINT用于启用/禁用各中断事件源；中断标志寄存器ECFLG指示是否有中断事件被锁存，并包含全局中断标志位INT。仅当任一中断事件被使能、事件标志位为1、且全局中断标志位INT为0时，才会向中断控制器生成中断脉冲。

7.3步进电机控制

步进电机：将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度（步进角）或前进一步；角位移与脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比——控制脉冲个数可精确控制转角，控制脉冲频率可实现调速。7.3.1五线四相步进电机驱动方法五线：四个相线接口A、B、C、D+一根公共电源线接口；四相：四相定子绕组。每切换一相电源，转子旋转一个步进角。支持单四拍、双四拍、单双八拍三种驱动方式：单四拍方式：每次给一个线圈通电，正转通电顺序A→B→C→D→A→……循环往复，四拍为一个循环周期；双四拍方式：每次给两个线圈通电，通电方式AB→BC→CD→DA→AB→……循环往复，四拍为一个循环周期；单双八拍方式：单拍与双拍工作方式交替进行，通电方式A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→……循环往复，八拍为一个循环周期。拍数越多，步距角越小、转动越平稳（八拍步距角为四拍的一半），但控制节奏相应加快。7.3.2L9110S电机驱动芯片L9110S是一款直流电机驱动电路，内部集成H桥驱动电路，能够同时驱动两个直流电机或者一个四线两相式步进电机。两个兼容TTL/CMOS电平的输入端（IA、IB），抗干扰性能优良；两个输出端（OA、OB）可直接驱动电机正反转运动；大电流驱动能力：每通道可通过750~800mA连续电流，峰值电流能力达1.5~2.0A；较低的输出饱和压降；内置钳位二极管可释放感性负载的反向冲击电流；7.3.3步进电机控制实例【例7-2】任务：通过按键实现步进电机的正转/反转、加速/减速控制。需要三个按键：“正转/反转”按键、“加速”按键和“减速”按键，采用C6748的GPIO引脚采集按键状态（矩阵键盘键值7/8/9）。步进电机采用五线四相电机，驱动电机旋转需要四个控制线和一根电源线。7.3.3步进电机控制实例方案：采用两片L9110S驱动芯片设计步进电机单四拍驱动电路（图7-44），C6748的GPIO引脚GPIO6[2]、GPIO6[3]、GPIO6[4]和GPIO1[15]控制驱动电路L9110S的输出状态，分别驱动步进电机的A、B、C、D相。定时：定时器Timer2中断计算线圈通电时长（节拍周期）。（1）主循环——正转节拍与按键查询单四拍：查表F_Rotation[i]，按位拆分后写A/B/C/D四个相线引脚；等待节拍期间查询矩阵键盘：键7换向、键8加速、键9减速。while(1){if(Direction==FORWARD)/*电机正转*/{for(i=0;i<4;i++)/*4相4拍*/{temp=F_Rotation[i];/*将temp各位依次写A(99)、B(101)、C(100)、D(32)四个相线引脚*/temp=(temp>>0)&0x01;GPIOPinWrite(SOC_GPIO_0_REGS,99,temp);/*B、C、D相写法同理，此处从略*/while(!Flag)/*等待定时时间到*/{key=KeyPress();/*检测键盘*/if(key==7)ChangeDir();elseif(key==8)SpeedUp();elseif(key==9)SpeedDown();}Flag=0;}}if(Direction==BACKWARD)/*电机反转*/{/*查表B_Rotation[i]输出D-C-B-A，其余与正转分支相同（从略）*/}}}

（2）定时器中断——改变节拍