三相正弦波脉宽调制（SPWM）信号发生器SM2001.docx

三相正弦波脉宽调制(SPWM)信号发生器SM2001三相正弦波脉宽调制(SPWM)信号发生器SM2001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基左的结构、原理及使用方法。它可广泛用于三相包机的变频控制，W相UPS的驱动等领域.关键词：正弦波脉宽调制；接旦：变频：控制图1S.M2001外形与管脚02SM2001内部逻辑框图1引言SM2001是可产生三相SRWM驱动波形的大规模供成电路。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,无需外部无量性，口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: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0.6HmCVoS工艺制造，电路内部集成有三线串行接口、双波形正弦发生版、幅度因了谏法器、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:相IM1.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1CI.KI外部时钟输入脚2RSTI且位脚,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60EI输出控制脚，为高允许PWM输出71Nn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IOGNDI输出地I1.MnW相下桥臂驱动脚12VB0V相卜桥鸭驱动脚13UB0U相卜桥鸭驱动脚14WTOW相上桥港驱动脚15VT0Y和上桥菖驱动脚16UToI：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）可选择死区时间和率脉冲时间，范围从0.05s256s.7）采用高速三线同步串行接口,通讯速度可达到IMHz。8）通过”进行参数化控制，需要占用MCI.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24Wz011）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）PN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1的!输出波形，分别驱动JV、W二:相桥式功率开关，每相的信号由2路与TT1.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卜半桥孵。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期动，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SV2001中，设置了三个层次的安全保护。一个是SP4!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，SPWY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0E,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,大大蛊于普通采用单片机系统产生SPMM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豆输出（防止由于堆片机的故障而产生.错误的开启），只有在重新上电或RST更位后，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，各种微组遭都可以很方便地控制SM2001。由于是全数字化的设计，内部的波形发生涔、乘法器、PWN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SPAI波形具有非常高的准确度和秘定性.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TUPS等系统，而高效准正弦波主要用丁交流电机驱动方面,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内部控制寄存既说明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“Bit。4?!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O1.1.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，通过此寄存涔进行选择。B7B6B5B1B3B2B1B0Pf7Pf6Pf5Pf4Pf3Pf2P11Pf0输出的三相波频率fsin由式(1)克出fsin=fc1.k×PFR(512×192×256)(1)式中：fc1.k是系统时钟的频率：PFRPFR寄存器的值(0-255),例如：如果时钟频率为20NHz,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)改变输出三相波的帕度，256级选择精度,地址为010。它控制输出的PWN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。B7B6B5B1B3B2B1B0.mp7mp6.mp5Amp4.mp3Amp2.mpIAmpO输出的三相波幅度ASin由式(2)算出sin=(AMPR/255)×100(2)式中：AMPRAMPR寄存器的值(1-255)。例如：如果后级功率电路的直流电压为300Y,AMPR=128,选取纯正弦波输出，则输出正弦波的峰值电压为150V,仃效值电压为106几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T此数值.4?3P加开关频率和窄脉冲寄存器FPDK(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。PWY的开关频率是后级大功率管或大功率模块的重要参数之，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PUX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。B7B6B5B4B3B2B1B0CF1CF0PD5PD4PD3PD2PD1PD04.3.IPWM频率选择位CFkCFO当CF1.CFo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=fc1.k/(512×N)(3)例如:若时钟频率为20MHZ,PWM集率选择字为11,则fc=20000000(512×8)=4882Hz4.3.2窄脉冲时间选择位PD5-PD0窄脉冲的时间tpd由式(4)算出1.pd=PI)/(fc×512)(4)式中：PD-一窄脉冲时间选择数值.窄脉冲删除功能是指在PUM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，可以被捌除去。参见图3.4?4死区时间选择寄存器DTIM(地址100)设置PWN载波的死区时间宽度，地址为100,B7B6B5B4B3B2B1B0一一DT5DT4DT3DT2DT1DT0PWH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，它取决后级功率电路的导通时间和截止时间。对于采用您1.作为功率输出的电路，则尤为近要。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Ipdy由式(5)算出:tpdy=DT/(fc×512)(5)式中：DT一一死区时间选择数值。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复位状态时各寄存涔内容寄存器复位值Ium1.1.1.1.OO1.1.ooOOU1.1.IOXX1.I1.1.I1.寄存罂窄脉冲选择和PWM频率寄存器幅度控制寄存罂AMPR频率控制寄存器PFR死区时间控制寄存版DTIMfc1k-20MHzVDI)-300V11三-4882Hztpd-25.6s80%50Hztpdy=25.6s国4死区时间设置图5数据的辘入时序425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SPM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的寄存罂是通过个三线同步串行接口进行设置的。AOA1.A2D0D1D2D3D4D5D6D7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泯后，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、DO、D1.、D2、D3、D4、D5、D6、D7,由于内部的时序原因,在完成所有的数据饰入，CS快第高电平后，必须在CK上额外地多加入个时钟，完成数据的认可，具体如图5所示。6上电和史位RST接低电平时，芯片进入复位状态。此时输出端输出高电平，各寄存港的内容如表2所列。更位主要是用来恢竟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。在芯片工作中时更位，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）,发位电路（RST上加入个负脉冲），在设置好需要的参数后，再开启0E,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1882Hz,死区和短脉冲时间为25.6Us,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VCU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，也将自动更位所有的寄存罂为内部初始值，J1.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S.M2001,并直接将MCU的时钟作为SM2001的时钟.2）11>M的驱动及电源要求见一：菱电机的手册智能化IGBT模块II>M».7?2示范程序C1.RRES；芯片发位C1.1.DE1.Y3;延时SETBRESC1.R0E；关闭输出C1.RTCKSETBTCS：选择通讯MOVA1«0311：设置PFR寄存涔MOVB1«50；初始频率30HZACA1.irOMMO1.T（八）示范电路(b)与IPM接口电路一：相正弦波脉宽调制（SPWM）信号发生器SM2001MOVA1#02H：设置AMPK寄存器MOVB1#80H：初始幅度80%ACA1.1.XOMMO1.iTMOVA1#0111；设置FPDR寄存器MOVB1#I1.O1.OOOOb;PWM缴率5KHzAmout；空脉冲6.25usMOVA1«0111：设置DT1.M寄存器MOVB1#00010000b；死区时间6.25usC1.1.COMMOUTSETBoEMOVA1"06H;开启Pm1.输出MOVB1#5FHC1.1.COMMOUT8SM2001控制流程控制流程图如图7所示。参考文献f1.1.深圳国微电子股份有限公司.5Y2001数据手册M.2002.2MITSUBISH1.公司.智能化IGBT模块IPMM.1997.