CN104836554B - 一种多功能spwm的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能正弦波脉宽调制(SPWM)电路的实现方法。该SPWM可以支持双极性三相、两相、单相，单极性普通型，混合型，互补型以及单极性倍频等多种输出模式，极大的节省了物理资源。通过本发明可以实现任意相位可调的多种SPWM输出，广泛应用于电机控制，逆变器，不间断电源(UPS)等诸多领域。本发明所描述的一种多功能的SPWM电路包含：用于载波及调制波控制的时钟分频模块，载波计数控制模块，调制波数据读取地址控制模块，调制波波形存储器模块，读取数据调整模块，计数比较及基准波形产生模块，三相死区插入及滤波模块。该SPWM电路实现灵活，具有相位、载波频率、调制波频率、增益、调制波存储波形以及最小输出脉宽(滤波)参数可编程配置的特点。

Description

一种多功能SPWM的实现方法

技术领域

本发明涉及集成电路，电机控制，逆变器，变频器，UPS电源控制及清洁能源等技术领域，特别涉及一种多功能SPWM的实现方法。

背景技术

正弦脉冲宽度调制(SPWM)法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。该方法用脉冲宽度按正弦波规律变化而和正弦波等效的PWM波形，即SPWM波形控制开关器件的通断，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等，通过改变调制波的频率和幅值来调节输出电压的频率和幅值。在电机控制，UPS，逆变器，智能家庭，清洁能源等诸多领域有广泛应用。

SPWM的实现方式按照载波的极性可划分为单极性SPWM和双极性SPWM。两种方式中调制波可为正弦波，三次谐波或其他任意波形，载波可为等腰三角波。

单极性是指载波在每半个调制波周期内的计数范围是单一的，即要么是正的，要么是负的，产生的脉冲系列也是单极性的。而双极性是指载波在整个调制波周期内计数范围是双极性的，即计数正负都有，产生的脉冲系列是双极性的。

单极性SPWM的工作特点：每半个调制波周期内，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个调制波周期内，两个器件的工作情况正好相反，流经负载的便是正、负交替的交变电流。可用于全桥式逆变电路。

双极性SPWM的工作特点：两个器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载的是按线电压规律变化的交变电流。可用于全桥及半桥逆变电路。

传统的SPWM实现可以分为模拟电路方式和数字电路方式，其中模拟电路是用振荡器来产生载波和调制波，并利用模拟比较器产生SPWM波形，此方法电路结构简单，但精度低，受温度及外部干扰影响大，使用的越来越少。数字电路方式可以有效的解决上述问题，并且具有可编程的特点，已成为市场主流，进而ASIC方式实现的SPWM也越来越多。但这些SPWM实现的功能比较单一，只能实现普通单极性或者双极性其中的一种类型，应用范围比较窄。此外一般数字电路实现采用的查表法正弦表存储介质为大容量的ROM，不能改变其中存储的内容，不够灵活且不能共享存储空间，浪费资源；即便少量采用RAM方式的也是通过硬件计算正弦波的方式，其算法及电路复杂，也很占用硬件资源，同样对应的RAM也没有考虑共享机制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能SPWM的实现方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种多功能SPWM的实现方法，其特征在于该多功能SPWM包括：

时钟分频电路、载波计数控制电路、调制波波形存储器、调制波数据读取地址控制电路、读取数据调整电路、数据比较及基准波形产生电路和死区插入及滤波电路。

本发明实现的SPWM电路具有相位、载波频率、调制波频率、增益、存储波形以及最小输出脉宽(滤波)参数可编程配置的特点。

优选的，其特征在于，通过主控CPU对SPWM的寄存器进行配置并启动SPWM，在载波周期和调制波周期处产生相应的中断标志，CPU可通过响应中断请求或者查询中断标志两种方式进行处理，即CPU与SPWM模块是一种紧耦合的方式交互，可以应用于闭环控制电路中。

优选的，其特征在于，可以通过配置寄存器的实现下面七种模式SPWM的输出，分别是双极性单相SPWM，双极性两相SPWM，双极性三相SPWM，普通单极性SPWM，互补单极性SPWM，混合单极性SPWM，单极性倍频SPWM。

优选的，其特征在于，载波计数支持多种计数方式。具体来说，双极性时支持四种计数方式：初始为正的最大值向下计数，初始为负的最大值向上计数，初始为0向上计数，初始为0向下计数；单极性时支持两种计数方式：初始为0向上计数，初始为正的最大值向下计数。通过调整用于载波计数控制的时钟分频系数以及载波计数的最大值的寄存器配置。即计数时钟频率和计数区间都是可配置的，从而实现了载波频率可配置。

优选的，其特征在于，可以提供两种工作模式，一种为SPWM读写模式，另一种为CPU读写模式，与CPU数据空间共享，充分节省了物理资源。

在SPWM读写模式下，其特征在于，通过CPU写入的数据块长度以及数据位宽可配置。

优选的，其特征在于，可以存入标准的正弦波、三次谐波以及任意波形的调制波。相对于ROM或EPROM实现的存储器具有更多的灵活性。

优选的，其特征在于，可提供三个相位可调的正弦波输出，通过控制存储器的读取时间间隔来实现调整输出的正弦波频率。

优选的，其特征在于，可实现三相的相位控制。第一相的初始相位固定，后两相通过寄存器配置进行相位调节。

优选的，其特征在于，读取的波形数据可放大或缩小进行幅度调节，可以灵活调节SPWM波形的有效脉冲宽度，从而改变SPWM的增益。

优选的，其特征在于，死区时间及滤波时长可配置，可以自由的设置死区长短，并且通过滤波避免过小的脉宽导致驱动电路不必要的通断，延长器件的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例中多功能SPWM的总体框图。

图2为本发明具体实施例中调制波数据读取地址控制实施方式的框图。

图3为本发明具体实施例中实现的双极性三相SPWM波形示意图。

图4为本发明具体实施例中实现的双极性单相SPWM波形示意图。

图5为本发明具体实施例中实现的普通单极性SPWM波形示意图。

图6为本发明具体实施例中实现的互补单极性SPWM波形示意图。

图7为本发明具体实施例中实现的混合单极性SPWM波形示意图。

图8为本发明具体实施例中实现的单极性倍频SPWM波形示意图。

具体实施方式

为了方便本发明实施例的描述，具体实施方式中定义一些术语。下面定义的术语具有相关领域中通常所理解的相同含义。诸如“一”、“之”和“该”等术语及举例的具体数值不只指代单个实体，而是包括用于说明的特定示例所属的普通类。这里用于描述本发明的特定实施例，但其使用不对本发明划界，除非权利要求中那样阐述。

本发明提供了一种多功能SPWM的实现方法，可以实现多种单极性及双极性的模式SPWM输出，并且调制波通过软件编程的方式写入，灵活多变，对应的调制波波形存储器还可以和CPU共享使用，极大的节省了硬件资源。

本发明实现的多功能SPWM，包括以下部分：时钟分频电路，载波计数控制电路，调制波波形存储器，调制波数据读取地址控制电路，读取数据调整电路，数据比较及基准波形产生电路，死区插入及滤波电路。

本发明可以实现的SPWM输出波形，包括以下模式：双极性单相SPWM，双极性两相SPWM，双极性三相SPWM，普通单极性SPWM，互补单极性SPWM，混合单极性SPWM，单极性倍频SPWM。

载波计数控制使用分频后的供载波控制使用的时钟进行计数，可根据需求配置寄存器决定载波的计数方式。双极性调制下支持四种方式：初始为正的最大值向下计数，初始为负的最大值向上计数，初始为0向上计数，初始为0向下计数；单极性调制下支持两种方式：初始为0向上计数，初始为正的最大值向下计数。并且正负的最大值可通过寄存器配置，可以根据需要进行调整。通过配置的时钟分频及计数的正负最大值相结合，从而实现了载波频率的可配置。

调制波波形存储器为SRAM，通过软件编程写入所需要的波形数据，不仅支持标准的正弦波，也可以支持三次谐波或其他任意波形。使用的波形数据的位宽以及数据块长度可配置。同时，该存储器还可以和CPU共享使用，这样可以在不使用SPWM功能时供CPU存储使用，可以充分的节省硬件资源。

调制波数据读取地址控制电路使用分频后的调制波控制时钟，通过控制存储器的读取时间间隔来实现调整输出的调制波频率。并且可提供相位可调的三相正弦调制波，其中第一相的初始相位固定，通过配置另外两相的读取初始地址值来调整三相的相位关系。

调制波波形存储器中读出的数据根据需要进行幅度调整，根据配置的调整值进行数据放大或缩小，调整后的调制波与载波比较产生的脉冲宽度发生改变，从而器件的通断时间也相应变化，这样配合中断控制可以实现闭环控制。

通过载波计数与调整后的调制波数据比较翻转产生的波形可以进一步设置死区及滤波时长，死区值和滤波值都是可配置的，并且最小时间单位为一个载波计数控制的时钟周期。滤波值的设置可以滤除一部分过窄的脉冲，这样可以避免应用中的不必要的开关通断，从而有效的延长器件寿命。

上述多功能SPWM通过一套硬件实现了多种可编程控制的SPWM波形，可以满足各种主流SPWM应用的需求，SRAM查找表方式也比传统的更加灵活多变，并且与CPU充分共享使用，节约了成本。

本发明实施例包括：时钟分频电路，载波计数控制电路，调制波波形存储器，调制波数据读取地址控制电路，读取数据调整电路，数据比较及基准波形产生电路，死区插入及滤波电路。下面将结合附图详细地说明本发明实施例的目的，方法及优点，同时给出实现的各种SPWM输出波形示意图。

图1为多功能SPWM实施的总体框图。多功能SPWM电路100包括载波时钟分频器101，调制波(正弦波)时钟分频器102，载波计数控制电路103，调制波(正弦波)数据读取地址控制电路104，调制波(正弦波)波形数据存储SRAM105，读取数据调整控制电路106，数据比较及基准波形产生电路107，死区插入及滤波电路108。

图1中的101和102分频器的分频系数可通过各自的寄存器配置，从而实现一定频率的控制时钟，进一步控制产生满足频率要求的载波及正弦波。例如载波控制分频为2分频，正弦波控制分频为512分频。

图1中的103所示的载波计数控制模块，首先通过配置SPWM极性寄存器来决定是双极性SPWM还是单极性SPWM。进一步通过配置计数方式寄存器控制具体的计数方式，即双极性调制下支持四种方式：初始为正的最大值向下计数，初始为负的最大值向上计数，初始为0向上计数，初始为0向下计数；单极性调制下支持两种方式：初始为0向上计数，初始为正的最大值向下计数。再通过配置的正负最大值控制寄存器来决定最大的正负载波计数值，载波计数控制电路根据配置的参数开始计数，从而实现了可编程的载波计数控制。例如配置后设定为双极性SPWM，载波为初始为负的最大值向上计数且正负计数区间为-512～511，即最大正负值分别为511和-512。此时载波计数方式为采用SPWM工作时钟2分频后的时钟进行计数，从-512开始递增计数，计到511后再从511递减计数到-512，如此循环进行。

图1中104所示的调制波(正弦波)数据读取地址控制电路具体如图2所示，调制波数据读取地址控制电路200包括：累加器201，比较器202和三相地址递增控制203，配置的累加初始值寄存器通过累加器进行累加并判断数据是否溢出。以16bit数据为例，累加值与65535进行比较，当大于65535时则为溢出。每次溢出时产生一个地址递增的使能脉冲，三相的初始地址中第1相为0，另外两相通过寄存器配置。当分频后的正弦波控制时钟采样到使能信号后三相地址递增1，当第1相递增的地址达到配置的正弦波RAM表的最大地址时表明一个正弦波周期已经完成。正弦波的频率与三个参数有关，一个是正弦波控制时钟的分频系数，一个是累加初始寄存器值，另外一个是配置的RAM表的最大地址。

图1中105所示的调制波波形存储器有两种工作模式，可以通过寄存器配置使得存储器工作在CPU使用模式还是SPWM使用模式，当使用SPWM模式时，由CPU将调制波数据写入SRAM当中，启动SPWM之后便从SRAM中读取调制波的数据，例如一种方法是，在载波计数的极值点(最大值或最小值)处，读取当前读取数据地址控制模块输出的地址所存储的调制波的数据。而在CPU使用模式下，CPU可以根据需要随时对此SRAM进行读写操作，这样灵活多变，节省了资源。

图1中106所示的读取数据调整指的是调制波的幅度调整，其一种实现方式为：根据三相配置的幅度调整因子对RAM读取的数据进行缩小，以幅度调整因子为8bit为例，则可以先将读取数据与调整因子做乘法运算，再进行饱和截位处理，从而得到的数据就是调整后的数据。

图1中107所示的数据比较及基准波形产生电路将根据SPWM的配置的具体模式产生相应的波形。其实现方式就是在每半个载波计数周期中，当计数与在极值点处读取并调整后的调制波数据进行比较，比较相等后数据进行翻转，从而得到SPWM的基准波形。具体各种SPWM的波形示意图请参见图3～图8。

图1中108所示的死区插入及滤波电路中，死区值和滤波值都是可配置的，并且最小时间单位为一个载波计数控制的时钟周期。此电路实现时，可以采取两种方式：第一种是先插入死区再进行滤波，第二种是先进行滤波后插入死区。如果采取第二种方式时，可能插入死区后一些脉宽无法达到要求的最小脉宽了，因此在设置滤波时需要将死区插入的因素叠加进去，例如实际需要的最小脉宽为2us，而死区插入为4us，则对于第二种方式实现时需要配置的滤波值为6us。而采取第一种方式时不会有上述问题，但第一种先插入死区后再进行滤波，对于三相六路SPWM而言则需要六个滤波电路单元；倘若采用第二种，则滤波单元可以减半，每相互补的一路只需要滤波后对波形取反即可得到。因此两种方式各有利弊，可根据需求进行选择实现。对SPWM产生的波形进行适当的滤波，这样可以避免应用中的不必要的开关通断，从而延长器件寿命。

显然，上面所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种多功能SPWM的实现方法，其特征在于，该多功能SPWM包括：

时钟分频电路、载波计数控制电路、调制波波形存储器、调制波数据读取地址控制电路、读取数据调整电路、数据比较及基准波形产生电路和死区插入及滤波电路：

其中，所述调制波波形存储器为SRAM；所述载波计数控制电路包括SPWM极性寄存器、计数方式寄存器、正负最大值控制寄存器；

所述SPWM极性寄存器用于确定所述载波计数控制电路进行双极性SPWM或单极性SPWM；

所述计数方式寄存器用于确定计数方式；所述计数方式包括：初始为正的最大值向下计数，初始为负的最大值向上计数，初始为0向上计数，初始为0向下计数；

单极性调制下包括两种方式：初始为0向上计数，初始为正的最大值向下计数；

双极性调制下包括所述的全部四种方式：初始为正的最大值向下计数，初始为负的最大值向上计数，初始为0向上计数，初始为0向下计数；

所述正负最大值控制寄存器用于决定最大的正负载波计数值；

所述载波计数控制电路根据所述SPWM极性寄存器、计数方式寄存器、正负最大值控制寄存器中配置的参数进行计数，实现可编程的载波计数控制。

2.根据权利要求1所述的SPWM的实现方法，其特征在于，通过主控CPU对SPWM的寄存器进行配置并启动SPWM，在载波周期和调制波周期处产生相应的中断标志，CPU可通过响应中断请求或者查询中断标志两种方式进行处理，即CPU与SPWM模块是一种紧耦合的方式交互。

3.根据权利要求1所述的SPWM的实现方法，其特征在于，可以通过配置寄存器的实现下面七种模式SPWM的输出，分别是双极性单相SPWM，双极性两相SPWM，双极性三相SPWM，普通单极性SPWM，互补单极性SPWM，混合单极性SPWM，单极性倍频SPWM。

4.根据权利要求1中所述的SPWM的实现方法，其特征在于，载波计数支持多种计数方式，具体来说，双极性时支持四种计数方式：初始为正的最大值向下计数，初始为负的最大值向上计数，初始为0向上计数，初始为0向下计数；单极性时支持两种计数方式：初始为0向上计数，初始为正的最大值向下计数；还通过调整用于载波计数控制的时钟分频系数以及载波计数的最大值的寄存器配置来调节载波频率。

5.根据权利要求1中所述的SPWM的实现方法，其特征在于，调制波波形存储器支持两种工作模式，一种为SPWM读写模式，另一种为CPU读写模式，与CPU数据空间共享；并且通过CPU写入的数据块长度以及数据位宽可配置。

6.根据权利要求1中所述的SPWM的实现方法，其特征在于，调制波波形存储器为SRAM，可以存入标准的正弦波、三次谐波以及任意波形的调制波。

7.根据权利要求1中所述的SPWM的实现方法，其特征在于，可提供三个相位可调的正弦波输出，通过控制存储器的读取时间间隔来实现调整输出的正弦波频率。

8.根据权利要求7中所述的SPWM的实现方法，其特征在于，可实现三相的相位控制：第一相的初始相位固定，后两相通过寄存器配置进行相位调节。

9.根据权利要求1中所述的SPWM的实现方法，其特征在于，读取的调制波形数据可放大或缩小进行幅度调节。

10.根据权利要求1中所述的SPWM的实现方法，其特征在于，死区时间及滤波时长可配置，可以自由的设置死区长短，并且通过滤波避免过小的脉宽导致驱动电路不必要的通断，延长器件的使用寿命。