脉宽调制实验平台的研究与开发

摘要：介绍了各种脉宽调制（PWM）技术在微机上的实现方法，并从上位机、下位机以及上、下位机的通信协议三方面介绍了基于DSP的脉宽调制技术实验平台的建立。该实验平台可由上位机控制产生不同调制方式、调制频率、载波比、调制度的三相SPWM驱动波形，通过采样电路将负载上的电压、电流信号传回上位机，由上位机动态的显示负载上电压、电流信号波形。

关键词： 脉宽调制； DSP ；计算机控制；电压、电流采样； 波形动态

一、引言

脉宽调制技术是利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。 PWM 控制技术可以分为多种，即等脉宽 PWM 法，正弦 PWM 法（ SPWM 法），磁链追踪 PWM 法，电流跟踪型 PWM 法以及空间矢量 PWM 法（ SVPWM 法）等。

应用较多的 SPWM 法是以一个正弦波为基准波 ( 称为调制波 ) ，用一列等幅的三角波 ( 称为载波 ) 与基准正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。逆变器得到的输出电压波形的特点是：在半个周期范围内，总是中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲面积与该区间正弦波下的面积成比例，这使得输出电压脉冲宽度成正弦变化，因此有效的抑制了输出电压中的低次谐波分量，使电机工作在正弦的交变电压下，减小了电机运行中的脉动转距，扩展了电机的调速范围。指定次数谐波法则是采用按消除指定次数谐波的方法来进行脉宽调制，能够消除的谐波次数越多，结果也就越接近正弦波。

脉宽调制技术实验平台是在理论分析的基础上，在实验上实现了各种脉宽调制方法，实验平台适用于采样法、等面积法、指定谐波消去法和 SVPWM 等多种脉宽调制方法。

二、实验平台硬件总体设计

脉宽调制技术实验平台是由上位机（ PC ）、数字信号处理器（ DSP ）、三相逆变电路及其驱动电路、三相负载、电流电压采样电路、采样信号的滤波放大电路和 RS-232 的电平转换电路组成。系统结构框图如图 1 所示。

 

图1   脉宽调制技术实验平台硬件总体设计

2.1 上位机

为了控制方便、便于直接观察系统运行的状态，本实验平台的所有操作均由上位机来完成。它的基本操作有检查系统连接；启动停止系统工作；设置 SPWM 调制方式、调制频率、调制度、载波比等参数；重新设置 SPWM 的各项参数并动态更新系统生成的 SPWM 波；接收下位机传回来的采样信号并动态显示电压、电流波形。图 2 为实验平台的用户操作界面

图2  实验平台用户操作界面

2.2 下位机（ DSP ）

下位机（ DSP ）采用 TI 公司的电机控制专用芯片 TMS320LF2407A 。它主要负责三大部分工作，一是接收上位机的各项指令和参数并返回执行情况；二是执行上位机的指令；三是将负载上的采样电流电压数据打包后传回上位机。

2.3 驱动电路

DSP 产生的三相 SPWM 后不能直接驱动 MOSFET ，所以从 DSP 输出的三相 SPWM 经过由光耦隔离和 IR2110 组成的电路驱动三相桥式主电路。

2.4 主电路

主电路采用传统的三相桥式主电路，选用六个 IRFP460 分别组成 A 、 B 、 C 三相主电路的上下桥臂。

2.5 采样电路

对主电路负载上电压、电流的采样是通过采集主电路上并联和串联电阻的电压来实现的，为了尽量减小采样电阻对主电路的影响所以串联一个阻值很小的电阻来获得负载上的电流波形。将采样的信号通过信号隔离；集成运放的放大、滤波和采样保持电路后输入到 DSP 的 16 位 AD 转换通道。