基于DSP芯片设计的一种波形发生器

董卓敏 王永 孙德敏　　摘 要：给出了一种基于dsp芯片tms320f240的对称规则spwm信号生成法，较为详尽地分析了spw m信号的谐波成分、总谐波失真度及其和载波比的关系。由于只需知道采样时刻，就可确定该采样周期内脉冲信号的开关点，因此spwm特别适合在线计算。对生成的spwm信号进行fourier分析，结果表明，正弦波经过该方式调制以后，输出信号中不含有直流成分；当载波比为偶数时，输出信号中不含偶次谐波；提高载波比有利于滤除高次谐波。根据以上特点，将spw m应用到某型制冷机减振电机的驱动上，对实测的电压和电流信号进行分析，其结果与理论分析相吻合。与采用模拟信号驱动的方式进行了比较，最后给出了实验结果。

　　关键词：正弦脉宽调制；谐波分析；总谐波失真度；数字信号处理；tms320f240
引 言
　　随着电力电子的迅速发展，逆变技术已越来越多地应用到各个领域中。尤其是脉宽调制（pulse－width modulation，pwm）技术的出现，使逆变器得到更为广泛的应用。就pwm的控制技术而言，为适应不同的应用场合和性能要求，提出了多种不同的开关器件通断控制策略［1］。如最简单的等脉宽pwm法，改变其脉冲周期可以调频，改变占空比可以调压；其缺点是输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。正弦脉宽调制（sine pwm，spwm）法是为了克服等脉宽pwm法的缺点而发展起来的。

　　对于实时计算的pwm控制方法常常需要建立数学模型，较为常用的是采样型的spwm法。文［2］指出，在对正弦波进行调制时，采用三角波作为载波比用锯齿波产生更少的谐波分量，自然采样spwm法就是通过正弦波与三角波的比较来决定开关点的位置，原理简单易于用模拟电路实现。由于其开关模式不能用显式表达，难以用微机实现实时控制，因此发展了规则采样法。

　　本文给出了一种基于dsp的对称规则spwm生成法，在建立规则采样法数学模型的基础上，分析输出波形的谐波成分，进而讨论谐波抑制的策略；然后，将spwm法应用到某型制冷机减振电机的驱动上，并与采用模拟驱动的方式进行了实验比较，给出了实验结果。

1　对称规则spwm的生成
　　当使用正弦波调制时，已经证明，在交流电机（如感应和直流无刷电机）的相电流中，对称的pwm信号比非对称的pwm信号引起的谐波失真更小［2］。

　　这里给出使用ti公司的dsp芯片tms320f240产生pwm信号的原理：为了产生pwm信号，由单独的定时器产生载波周期。当前需调制的数值与最大的调制数值相减，其差作为比较对象，不断地与定时器计数器的值进行比较。当两个值匹配时，相关的输出就发生跳变（从低到高或从高到低）。这样就产生了输出脉冲，它的开启（或关闭）时间与被调制的数值成正比，改变调制数值，相关引脚上输出的脉冲信号的宽度也随之改变。图1给出了对称规则pwm波形生成的原理。2　数学模型及谐波分析
　　设正弦调制波为us（t）＝asin（2πft），其中，a为正弦波幅值，f为频率，正弦波周期t＝1／f。为提高输出信号基波的最大值，应尽量采用大的调制深度m［3］，这里假设m＝1。设pwm信号的幅值为e，载波比n为大于1的整数。在一个正弦波周期内，共有n个pwm脉冲，对于第n个脉冲而言：采样时刻为t（n－ 1）／n，采样值为asin（2π（n－1）／n），由于脉冲宽度与采样值成比例及调制深度m＝1，所以第n个脉冲的宽度

设第n个脉冲的两次跳变时刻分别为tln，trn（如图1示），则

　　由式（2，3）可知，在对称规则采样的情况下，只要知道采样时刻n，就可以确定出这个采样周期内脉冲信号的开关点。　　
图2表示一个周期内正弦波调制后的pwm输出波形，对它进行fourier变换，可以得到

考虑到上式第二项绝对值符号内的数小于0，因此