三相正弦波脉宽调制(SPWM)信号发生器SM2001

2011-05-23 12:02:19来源: 互联网

摘要:介绍一种可自动产生三相正弦波脉宽调制波形的专用芯片的结构、原理及使用方法。它可广泛用于三相电机的变频控制,三相UPS的驱动等领域。关键词:正弦波脉宽调制;接口;变频;控制



图1SM2001外形与管脚


图2SM2001内部逻辑框图


1引言

SM2001是可产生三相SPWM驱动波形的大规模集成电路。它的工作频率宽,合成正弦谐波小,调节方便、准确,保护电路完善,无需外部元器件,且有普通正弦波和高效电机驱动波两种波形的选择,可广泛用于交流异步电机的变频驱动,如变频空调、变频冰箱和变频洗衣机的控制驱动,各类工业水泵、风机的变频驱动,各类不间断电源(UPS)以及其它一些需要三相SPWM波形驱动的功率控制电路中。

2SM2001结构与逻辑框图

SM2001采用0.6μmCMOS工艺制造。电路内部集成有三线串行接口、双波形正弦发生器、幅度因子乘法器、PWM波形发生器、死区时间和窄脉冲控制电路、启动电路和保护电路等。封装采用DIP18塑封。

SM2001的外形图如图1所示。其管脚说明如表1所列。其内部逻辑框图如图2所示。

3SM2001的设计特点 SM2001设计特点如下:

1)全数字化设计,全数字化电路。

2)内部带两套波形发生器,可产生标准正弦波和用于交流电机控制的高效准正弦波。

3)自动产生三相PWM调制波形,范围从0到200Hz(时钟为20MHz时),步进频率为最大频率的1/255。

三相正弦波脉宽调制(SPWM)信号发生器SM2001


表1管脚说明管脚名称类型功能说明
1CLKI外部时钟输入脚
2RSTI复位脚,为低时复位芯片
3CSI串口片选脚,低通讯有效
4CKI串口时钟脚,上升沿锁入数据
5DAI串口数据脚
6OEI输出控制脚,为高允许PWM输出
7INTI异常中断脚,下降沿触发
8WVSI内部波形选择,高效/普通
9GNDI数字地
10GNDI输出地
11WBIW相下桥臂驱动脚
12VBOV相下桥臂驱动脚
13UBOU相下桥臂驱动脚
14WTOW相上桥臂驱动脚
15VTOV相上桥臂驱动脚
16UTOU相上桥臂驱动脚
17VDDI正电源(+5V)
18VDDI正电源(+5V)

4)采用双边沿规则采样产生PWM调制波形。

5)载波频率可多级选择,最高可达到38kHz。

6)可选择死区时间和窄脉冲时间,范围从0.05μs~25.6μs。

7)采用高速三线同步串行接口,通讯速度可达到1MHz。

8)通过MCU进行参数化控制,需要占用MCU的资源极小。

9)驱动电流达20mA,可直接驱动光耦

10)采用外部时钟驱动,可与单片机共用一个晶体谐振器,最高工作频率可达24MHz。

11)有完善的多级保护电路,保护动作灵敏(典型反应时间小于2个时钟周期)。

12)PWM波形调整快,在一个PWM周期内即可完成变换。

13)三相输出的电平为负脉冲有效,无波形输出时保持高电平。

SM2001有6个PWM输出端口,通过双边沿规则采样的方法产生6路PWM输出波形,分别驱动U、V、W三相桥式功率开关,每相的信号由2路与TTL电平兼容的管脚输出。该信号通常是通过外部的隔离器件(如光耦)来驱动桥式电路。2个信号分别驱动某一相的上半桥臂和下半桥臂。

在通过PWM合成正弦波的方法中,有多种参数需要确定,如:三相正弦波的频率、三相正弦波的幅度、PWM波的频率、最小窄脉冲宽度和死区时间。在SM2001的控制设置中,这些参数全部可以通过一个高速串行口进行实时调节。

对于电力应用或功率电路的驱动,除正常的功能外,最重要的就是完善的保护机制了。而SM2001具有完善的保护电路。在SM2001中,设置了三个层次的安全保护。

一个是SPWM输出的开启命令:在SM2001的设置中,有一条开启指令,在所有的初始化参数设置完成后,芯片并不是立即产生输出波形,只有在开启命令发布后,SPWM波形才会输出,这是为了防止在系统未完成初始化时有错误的波形产生。而一旦开启SPWM的输出后,再进行参数设置时,SPWM的变化将立即出现,不再需要开启命令了。

第二个保护是OE控制端,它是用于单片机的普通输出控制的。在SM2001上有一个使能控制端OE,接受控制系统的控制信号。当OE为高电平时,SPWM完整输出波形,否则,输出将保持高电平静止状态。

第三重保护是异常中断控制端INT,主要是接受系统的异常信号,如输出短路、断相等异常信号。当外部检测电路发现异常,在INT上产生一个负电平或负脉冲信号,SM2001的输出将立即截止,且反应时间小于200ns,大大高于普通采用单片机系统产生SPWM波形的控制模式。在异常保护出现后,芯片将不能通过命令恢复输出(防止由于单片机的故障而产生错误的开启),只有在重新上电或RST复位后,芯片才能重新接受控制。

由于SM2001采用了内部的大规模正弦波形发生器,所以输出的正弦波精度高,失真和谐波都很小,且由于采用参数设置的方式,各种微处理器都可以很方便地控制SM2001。由于是全数字化的设计,内部的波形发生器、乘法器、PWM波形产生电路的精度都高于最后实际的输出精度,所以产生的SPWM波形具有非常高的准确度和稳定性。而精确的波形可以使功率输出电路的效率得到提高。

SM2001完全可以作为微处理器的一个独立的外部电路工作。在设置初始化条件后,SM2001完全自动产生SPWM驱动波形。只有当需要改变输出波形或处理异常中断等状态时,才需要微处理器的干预。

在SM2001芯片内部有两套标准的三相SPWM驱动波形,即纯正弦波和高效准正弦波。可通过端口WVS的设置电平来选择。其中纯正弦波主要用于UPS等系统,而高效准正弦波主要用于交流电机驱动方面,这种波形可提高电机驱动系统的效率。这两种

波形可以满足绝大部分的应用需求。对于特殊的波形需求则可以通过修改波形发生器来得到。

4内部控制寄存器说明

SM2001的工作状态和输出信号的参数是由内部的寄存器控制。寄存器大小为8Bit,地址用3Bit的二进制码表示。故通讯数据为11Bit。

4?1频率控制寄存器PFR(地址011)

控制三相SPWM波的频率,256级选择精度,地址为011。它控制输出的PWM合成的正弦波的频率,三相波形的频率是相同的,通过此寄存器进行选择。B7B6B5B4B3B2B1B0
Pf7Pf6Pf5Pf4Pf3Pf2Pf1Pf0
输出的三相波频率fsin由式(1)算出

fsin=fclk×PFR/(512×192×256)(1)

式中:fclk——是系统时钟的频率;

PFR——PFR寄存器的值(0~255)。

例如:如果时钟频率为20MHz,PFR=63,则三相正弦波的频率为50.1Hz。

4?2调制度控制寄存器AMPR(地址010)

改变输出三相波的幅度,256级选择精度,地址为010。它控制输出的PWM合成的正弦波的幅度,三相波形的幅度是相同的,通过此寄存器进行选择。B7B6B5B4B3B2B1B0
Amp7Amp6Amp5Amp4Amp3Amp2Amp1Amp0
输出的三相波幅度Asin由式(2)算出

Asin=(AMPR/255)×100%(2)

式中:AMPR——AMPR寄存器的值(1~255)。

例如:如果后级功率电路的直流电压为300V,AMPR=128,选取纯正弦波输出,则输出正弦波的峰值电压为150V,有效值电压为106V。但根据死区时间和窄脉冲时间的大小不同而产生的效应,实际的输出电压可能略小于此数值。

4?3PWM开关频率和窄脉冲寄存器FPDR

(地址001)

设置PWM载波的开关频率和要删除的无效窄脉冲宽度,地址为001。PWM的开关频率是后级大功率管或大功率模块的重要参数之一,它往往取决于后级功率电路的开关时间、工作效率、是否要静音设计等要求。本芯片的PWM的开关频率与时钟频率有关,在20MHz时钟时最高开关频率可达到38kHz,完全满足高速仪表中的静音设计要求。B7B6B5B4B3B2B1B0
CF1CF0PD5PD4PD3PD2PD1PD0
4.3.1PWM频率选择位CF1、CF0

当CF1、CF0为11、10、01、00时,其对应的分频系数N则分别为8、4、2、1。

PWM开关频率fc由式(3)算出

fc=fclk/(512×N)(3)

例如:若时钟频率为20MHz,PWM频率选择字为11,则

fc=20000000/(512×8)=4882Hz

4.3.2窄脉冲时间选择位PD5~PD0

窄脉冲的时间tpd由式(4)算出

tpd=PD/(fc×512)(4)

式中:PD——窄脉冲时间选择数值。

窄脉冲删除功能是指在PWM波中,由于后级电路的开关时间问题,小于tpd宽度的脉冲不能引起后级电路的动作,可以被删除去。参见图3。

4?4死区时间选择寄存器DTIM(地址100)

设置PWM载波的死区时间宽度,地址为100。B7B6B5B4B3B2B1B0
--DT5DT4DT3DT2DT1DT0
PWM载波的死区时间也是后级大功率管或大功率模块的重要参数之一,它取决于后级功率电路的导通时间和截止时间。对于采用IGBT作为功率输出的电路,则尤为重要。如果设置不当,会导致功率电路烧毁或谐波失真增加,死区时间设置参见图4。

死区时间tpdy由式(5)算出:

tpdy=DT/(fc×512)(5)

式中:DT——死区时间选择数值。


图3窄脉冲删除示意图


三相正弦波脉宽调制(SPWM)信号发生器SM2001


表2复位状态时各寄存器内容寄存器复位值111111111100110000111110XX111111
寄存器窄脉冲选择和PWM频率寄存器幅度控制寄存器AMPR频率控制寄存器PFR死区时间控制寄存器DTIM
fclk=20MHzVDD=300VfPWM=4882Hztpd=25.6μs80%50Hztpdy=25.6μs


图4死区时间设置


图5数据的输入时序


4?5开启命令START(地址110)

在完成芯片的各项参数的初始化设置后,通过往地址110中写入5FH,即可以开启芯片的SPWM输出。以后的参数改变,一旦写入寄存器即立即表现出来,不必再使用开启命令了。

5三线同步串行接口

SM2001的寄存器是通过一个三线同步串行接口进行设置的。A0A1A2D0D1D2D3D4D5D6D7
寄存器选择寄存器数据

当片选CS为低时,芯片进入串行通信状态,在每个时钟CK的上升沿,数据线DA上的数据被移入内部缓冲器,当11个数据位全部进入缓冲器后,在最后一个CK脉冲的认可下,数据被转入相应的寄存器,且命令被立即执行。

地址和数据的低位在先传入,分别为A0、A1、A2、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。由于内部的时序原因,在完成所有的数据输入,CS恢复高电平后,必须在CK上额外地多加入一个时钟,完成数据的认可,具体如图5所示。

6上电和复位

RST接低电平时,芯片进入复位状态。此时输出端输出高电平,各寄存器的内容如表2所列。

复位主要是用来恢复INT异常中断的状态。如果不是首次上电,复位并不能清除开启命令。在芯片工作中时复位,芯片将以初始化条件输出PWM波形,所以应配合使用OE的功能,首先关闭SPWM输出(OE=0),复位电路(RST上加入一个负脉冲),在设置好需要的参数后,再开启OE,才能正常的输出波形。

当采用20MHz的时钟时,表2中的缺省条件表示PWM的频率为4882Hz,死区和短脉冲时间为25.6μs,正弦波频率为50Hz,合成正弦波峰值幅度为电源的80%。(注意:在芯片的OE不为高,或MCU未发送开始命令时,U、V、W端口并没有实际的SPWM输出)

当芯片首次上电时,也将自动复位所有的寄存器为内部初始值,且芯片的输出端保持高电平(不输出时的缺省状态)。

7示范电路和与IPM的接口

示范电路与IPM接口电路如图6所示。

7?1说明

1)采用简单的MCU的5根IO口即可控制SM2001,并直接将MCU的时钟作为SM2001的时钟。

2)IPM的驱动及电源要求见三菱电机的手册《智能化IGBT模块——IPM》。

7?2示范程序

CLRRES;芯片复位

ACALLDELAY3;延时

SETBRES

CLROE;关闭输出CLRTCK

SETBTCS;选择通讯

MOVA,#03H;设置PFR寄存器

MOVB,#50;初始频率30Hz

ACALLCOMMOUT


(a)示范电路


(b)与IPM接口电路


图6示范电路与IPM接口电路


三相正弦波脉宽调制(SPWM)信号发生器SM2001


MOVA,#02H;设置AMPR寄存器

MOVB,#80H;初始幅度80%

ACALLCOMMOUT

MOVA,#01H;设置FPDR寄存器

MOVB,#11010000b;PWM频率5KHz

ACALLCOMMOUT;窄脉冲6.25us

MOVA,#04H;设置DTIM寄存器

MOVB,#00010000b;死区时间6.25us

ACALLCOMMOUT

SETBOE

MOVA,#06H;开启PWM输出

MOVB,#5FH

ACALLCOMMOUT

......

8SM2001控制流程

控制流程图如图7所示。

参考文献

[1]深圳国微电子股份有限公司.SM2001数据手册[M].2002.

[2]MITSUBISHI公司.智能化IGBT模块——IPM[M].1997.

关键字:正弦波

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0523/article_8998.html
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