PWM调制的设计与实现

2013-09-25辛晓宁王晓旭

电子设计工程 2013年4期

辛晓宁，王晓旭

（沈阳工业大学研究生学院，辽宁沈阳 110870）

在电动机领域中，随着高开关频率的功率器件，如IGBT，MOSFET等的出现和对开关电源性能要求的不断提高，其控制技术成为影响电源性能的主要因素。开关变换器普遍采用脉冲宽度调制（PWM）实现输出电压的控制。当PWM波形用于电动机控制和运动控制时，设计的PWM电路可以大大减少产生PWM波形的CPU开销和减少用户的参与工作量[1]。介绍了运用比较单元和PWM电路产生PWM波形。仿真验证了这种方法的可行性与优越性。这种方法使得在许多应用场合中的开关和同步磁组电动机的控制变得非常的简单容易，提高了输出动作控制的灵活性。

1 PWM信号产生原理

要产生一个PWM信号，如图1所示，需要有一个合适的定时器来重复产生一个与PWM周期相同的计数周期，一个比较寄存器保持着调制值，它不断地与定时器计数器的值进行比较，当两个值匹配时，在相应的输出上就会产生一个转换（从低到高或从高到低）。当两个值之间的的二个匹配产生或一个定时器周期结束时，相应的输出会产生另一个转换（从高到低或从低到高）。通过这种方法所产生的输出脉冲的开关时间就会与比较寄存器的值成比例。在没个定时器周期中，这种过程都会出现，但每次比较寄存器中的调制值是不同的，这样在相应的输出上就会产生一个PWM信号[2]。

图1 PWM信号产生原理图Fig.1 PWM signal generation principle diagram

2 PWM调制电路的设计

2.1 PWM调制电路的内部结构

PWM波形的输出，由定时器本身和比较单元产生，定时器的结构框图如图2所示，其中主要包括：

1）一个可读写的16位增/减计数器的寄存器；

2）一个可读写的16位定时器比较寄存器（双缓冲）T1CMPR；

3）一个可读写的16位定时器周期寄存器（双缓冲）T1PR；

4）一个可读写的16位定时器控制寄存器T2CON；

5）用于内部或外部时钟输入的可编程的预定标器（Prescaler）；

6）一个定时器比较输出引脚T1CMP；

7）输出条件逻辑；

8）其他全局控制寄存器GPTCONA。

图2 定时器功能结构图Fig.2 The timer function structure

比较单元的原理框图如图3所示，其中主要包括：

1）3 个 16 位的比较寄存器（CMPR1，CMPR2，CMPR3）它们各带一个相应的映射寄存器，该寄存器可读写；

2）一16位的比较控制寄存器（COMCONA），该寄存器可读写；

3）一个16位的动作控制寄存器（ACTRA），该寄存器可读写。

4）6 个 PWM 输出（PWMy，y=1，2，3，4，5，6）。

图3 比较单元功能结构图Fig.3 More units function structure

2.2 PWM电路的工作原理

图2图3给出了PWM电路的基本原理框图。给出了PWM信号产生的两种方式，分别由定时器本身产生的PWM信号和由比较单元产生的PWM信号。

定时器都有一个相应的比较寄存器T1CMPR和一个PWM输出引脚T1PWM。定时器计数器的值连续地与相应的比较寄存器的值进行比较，当定时器计数器的值与比较寄存器的值相等时就产生比较匹配。可通过对他T1CON[1]置1来使能比较操作。如果比较已经被使能，当产生比较匹配时会产生以下情况：

1）定时器的比较中断寄存器标志位在匹配后的一个CPU时钟周期被置位。

2）在匹配后的一个CPU时钟周期后，根据GPTCONA寄存器相应位的配置情况，相应的PWM输出将发生跳变。

3）如果比较中断标志位被相应的GPTCONA位选择用于启动ADC（数模转换），则当比较中断标志位被置位的同时，也会产生ADC（数模转换）的启动信号。

如果比较中断没有被屏蔽，则比较中断标志位会产生一个外设中断请求。

比较单元的定时器计数器连续与比较寄存器的值进行比较，当一个匹配产生时，比较单元的两个输出按照动作控制寄存器（ACTRA）中的位进行跳变。ACTRA寄存器中的位可以分别指定在比较匹配时每个输出为高有效或低有效切换（如果没有强制高或低）。当定时器和比较寄存器之间产生一个匹配并且比较被使能时，与比较单元相对应的比较中断寄存器将被置位。如果中断没有被屏蔽，则产生外设中断请求信号。输出跳变的时序、中断标志位的设置和中断请求的产生都与定时器的比较操作有关[3]。

2.3 PWM电路的设计

PWM电路也就是脉宽调制电路，是PWM信号产生的主要部分，其主要包括非对称/对称波形发生器、可编程的死区单元、输出逻辑、空间向量PWM状态机4个部分[4]。它的功能框图如图4所示。

图4 PWM电路功能结构图Fig.4 PWM circuit function structure

波形发生器的特征如下：

1）用于与比较单元相对应的PWM输出对的可编程死区单元；

2）最小的死区宽度为一个CPU时钟周期；

3）一个CPU时钟周期的PWM脉宽或脉宽增/减量；

4）16位的最大PWM分辨率；

5）功率驱动保护中断；

6）可编程的对称/非对称PWM以及空间向量PWM波形；

7）自动重装载的比较和周期寄存器使CPU得负担最小；

8）PWM的装载频率的快速变化；

9）PWM的脉宽的快速变化。

死区单元：在许多运动/电动机控制和功率电子应用场合中，2个功率器件（上级和下级）被串联放在一个功率转换支路中，为了避免击穿失效，2个器件的打开周期必须不能重叠，这样就经常需要一对非重叠的PWM输出来正确地开关这两个器件。在一个三极管的关断和另一个三极管导通之间经常要插入一段死区，这段时间延迟允许一个三极管在别的三极管导通之前完全关断，这个所需的时间延迟由功率三极管的开关特性和特定应用的负载特性来决定。

2.4 PWM产生的寄存器设置

用定时器本身产生PWM波形和由比较单元和相应的电路所产生的PWM波形均需要对相应的寄存器进行配置，其中第一种用定时器需对寄存器的设置为：

1）根据预定的PWM（载波）周期设置T1PR；

2）设置T1CON寄存器以确定计数模式和时钟源，并启动PWM输出操作；

3）将对应于PWM脉冲的在线计算宽度（占空比）的值加载到T1CMPR寄存器中。第二种由比较单元产生PWM波形需对寄存器的设置为：1）设置和装载ACTRA寄存器，该寄存器地址为7513；2）设置和装载DBTCONA寄存器，该寄存器地址为7515；3）初始化 CMPRx，x=1，2，3 寄存器，寄存器地址为7517，7518，7519。

2.5 PWM信号产生形式

PWM信号根据定时器工作模式的不同将产生两种波形，对称波形和非对称波形。对称波形的产生，如图5所示。

图5 对称PWM波形的产生Fig.5 Symmetrical PWM waveform generation

首先通用定时器工作在连续增/减计数模式时，波形发生器的输出状态由以下情况决定，计数操作开始时为0，第一次比较匹配之前保持不变，第一次比较匹配时切换状态，第二次比较匹配之前保持不变，第二次比较匹配时切换状态，周期结束前保持不变，如果没有第二次比较匹配，并且下一周期的新的比较值不为0，那么在周期结束后复位为0。

图6 非对称PWM波形的产生Fig.6 Asymmetric PWM waveform generation

首先通用定时器工作在连续增计数模式时，波形发生器的输出状态由以下情况决定，计数操作开始时为0，第一次比较匹配之前保持不变，第一次比较匹配时切换状态，周期结束前保持不变，如果在下一周期的新的比较值不为0，那么在周期结束后复位为0[5]。

3 PWM调制电路的仿真实现

该设计的仿真使用Mentor公司的ModelSim软件，该软件可在Windows，Linux平台上使用，支持VHDL或Verilog硬件描述语言（HDL）仿真。它支持所有器件的行为级仿真、VHDL或Verilog仿真激励。为了测试设计的正确性，编写了testbench模块，控制寄存器的配置，收发的数据，产生的中断等[6]。