利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)提高SPWM輸出波形的品質(zhì)

引言

DDS（直接數(shù)字頻率合成）技術(shù)是一種實用的新型頻率合成技術(shù)。隨著數(shù)字集成電路與微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，這種頻率合成方式顯示出了極高的性價比，具體體現(xiàn)在頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)及控制靈活方便等方面。

機場助航燈系統(tǒng)中，恒流調(diào)光器是核心控制設(shè)備，國內(nèi)機場現(xiàn)行使用的恒流調(diào)光器都是屬于以晶閘管為開關(guān)器件的相控調(diào)壓技術(shù)產(chǎn)品。這種電力電子裝置存在著網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低以及向電網(wǎng)注入諧波電流的兩大電力公害。隨著IGBT作為一種新的功率開關(guān)器件得到廣泛的應(yīng)用，本文以IGBT代替?zhèn)鹘y(tǒng)的晶閘管，將DDS技術(shù)應(yīng)用于SPWM波形的發(fā)生，可以方便的對輸出進行調(diào)壓調(diào)頻，同時提高了SPWM輸出波形的品質(zhì)。

1、助航燈正弦波恒流調(diào)光器的工作原理

助航燈調(diào)光器主回路采用AC—DC—AC方案，由整流和逆變組成，如圖1所示。

整流部分采用二極管全橋不控整流，將三相交流電變?yōu)橹绷?，逆變部分采?a target="_blank">智能功率模塊IPM輸出單相等效正弦電壓，通過LC濾波得到正弦電壓經(jīng)升壓變壓器輸出到機場燈光回路。其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

恒流調(diào)光器的作用就是將工頻的交流電源變成電壓調(diào)節(jié)能力很強的恒流源，調(diào)光器可以控制電流分級輸出，從而控制助航燈的光強等級，當(dāng)回路負載發(fā)生變化時通過調(diào)光器的作用使負載電流保持不變。

2、DDS技術(shù)的基本原理

DDS技術(shù)是從正弦函數(shù)的相位出發(fā)，通過調(diào)節(jié)頻率控制字直接產(chǎn)生所需的各種不同頻率的信號，主要由參考頻率源、相位累加器、正弦ROM表、D／A轉(zhuǎn)換器和濾波器等組成，如圖3所示。其信號生成的具體過程是：在參考時鐘頻率fc的控制下，將頻率控制字k送入相位累加器。用其輸出作為正弦ROM表的查找地址而對其進行查找，后者中的每個地址代表周期正弦波的一個相位點，每點對應(yīng)一個量化的幅值，相當(dāng)于一個相位／幅值變換器，查找后的數(shù)據(jù)經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器得到的是階梯波，最后經(jīng)低通濾波器對階梯波進行平滑處理，即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出正弦波，如圖3所示。

為了形象地說明DDS相位量化的工作原理，可將正弦波在一個完整周期內(nèi)的相位變化用相位圓來表示，相位和幅值是一一對應(yīng)的，如圖4所示。N位相位累加器對應(yīng)相位圓上的2N個相位點，圖中相位累加器的位數(shù)N=4，共有16個幅度碼與0°～360°中的16個相位點對應(yīng)，幅度碼存儲在ROM中，在k的作用下，相位累加器對ROM進行尋址，完成相位／幅值轉(zhuǎn)換。DDS輸出信號頻率fc和fc以及頻率控制字k之間的關(guān)系為：fo=fck/2N

3、 基于DDS技術(shù)的SPWM波形的生成

3．1 SPWM波形生成的步驟

本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用DSPTMS320LF240A，利用片上自帶的事務(wù)管理器（EVA）模塊代替了傳統(tǒng)DDS技術(shù)波形產(chǎn)生中的D／A模塊，如圖5所示。將一個周期劃分為l 024個點，用于保證波形的平滑程度。具體的過程可分為以下幾個步驟：

1）選定頻率控制字進行相位累加

在ROM（利用2407A的ROM）中建立的是一個大小為2M個點的正弦表（M=10），相位累加器（N位，N=32），在每個載波周期內(nèi)與產(chǎn)生的相位增量k（頻率控制字）相累加。

根據(jù)所要求的輸出頻率fo，當(dāng)Tc選定后由（2）式即可求出k。正弦數(shù)據(jù)表的實際大小是1 024個點，選用32位累加器低16位的低十位對正弦表進行尋址。在這種情況下，給定k就決定了輸出調(diào)制正弦波的頻率。通過設(shè)置k值的不同可以產(chǎn)生不同輸出頻率的正弦波，根據(jù)實際要求計算出頻率控制字，使相位累加器開始工作，將后者的低十位作為地址去查找正弦表中當(dāng)前相位所對應(yīng)的幅值TEMP。助航燈調(diào)光器要求輸出電壓頻率不變，因而頻率控制字不需要改變。

2）根據(jù)調(diào)光要求計算調(diào)制比

助航燈連接在隔離變壓器的次級，燈泡發(fā)光強度與回路中的電流IH成正比，通過改變回路中電流IH的大小調(diào)節(jié)燈泡的亮度，助航燈恒流調(diào)光器可人為設(shè)定為五級電流（2．8A、3．4A、4．1A、5．2A、6．6A），回路電流，。由升壓變壓器初級電壓UL決定，設(shè)燈光回路總負載為Z，則有：

M為升壓變壓器的變比。由上式可知燈光回路電流IH是隨著升壓變壓器的初級端電壓成比例變化的。我們可根據(jù)外界要求的光級設(shè)定好電流值，進一步求出UL的值，再根據(jù)公式：

M=UL／UC（UC是直流測電壓）

從而可以計算出調(diào)制比，由計算出的調(diào)制比對正弦表中檢索出的幅值進行調(diào)幅，即可得到所需的電壓。參考波的正弦幅值為：

Temp=Temp0·M

（Temp0為正弦ROM表中的幅值）

3）SPWM波形的產(chǎn)生

將調(diào)幅后的結(jié)果送入EVA模塊的比較寄存器，通過設(shè)置定時l的周期寄存器T1PR，可使其在連續(xù)增／減計數(shù)模式下產(chǎn)生載波信號，其中斷周期是載波周期，如圖6示。在此計數(shù)模式下，定時器1計數(shù)器（T1 CNT）從0開始遞增至周期寄存器（T1PR）的值后又遞減到0，如此循環(huán)反復(fù)。在其不斷計數(shù)的同時，比較單元的比較邏輯也在不斷將定時器l計數(shù)器的值和比較寄存器的值進行比較，由于助航燈光的電源系統(tǒng)需要四路PWM波形，因而在幅值的設(shè)置上使其中的兩個比較單元一樣，讓二者和周期寄存器的值進行比較，相位累加器的采樣頻率與載波頻率相同，每一個載波周期，比較單元的值更新一次，并與定時器1的計數(shù)值進行比較，當(dāng)定時器的計數(shù)值T1CNT與CMPR相匹配時，DSP內(nèi)部的PWM電路將根據(jù)比較方式控制寄存器和死區(qū)控制寄存器的設(shè)定輸出邏輯輸出PWM波形。

3．2 系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

1）硬件實現(xiàn)

硬件實現(xiàn)包括硬件初始化和PWM初始化，PWM初始化包括下列寄存器的初始化T1PR（周期寄存器），ACTRA（動作控制寄存器），DBTCONA（死區(qū)控制寄存器），COMCONA（比較控制寄存器），T1CON（定時器l控制寄存器）。

2）軟件實現(xiàn)

DSP的控制系統(tǒng)程序主要由主程序和中斷服務(wù)子程序，中斷服務(wù)子程序用于產(chǎn)生正弦脈寬SPWM信號，主程序主要進行初始化以及等待中斷的到來，設(shè)置TlCON后，定時器1開始工作，并重新開啟中斷。圖7為初始化程序的流程圖。圖8為T1定時器下溢中段子程序流程圖。

3）系統(tǒng)的總體框圖見圖9。

4）實驗結(jié)果

選擇載波頻率fc=4kHz，死區(qū)時間為3．2μs．輸出頻率fo=50Hz；助航燈恒流調(diào)光器三相輸入電壓為380V／50Hz，圖10是在某負載下不同光級給定時（一級光、五級光）對應(yīng)電流絕對值波形，橫軸為時間軸，單位為250μs，縱坐標(biāo)為電流瞬時值，單位為O．67mA。試驗表明系統(tǒng)的輸出波形質(zhì)量高，在相同負載不同光級間的切換時間不超過ls，動靜態(tài)性能優(yōu)良。

4、 結(jié)束語

本文介紹了在機場助航燈調(diào)光器系統(tǒng)中應(yīng)用DDS技術(shù)來產(chǎn)生SPWM波形的原理和具體實現(xiàn)過程，并通過實驗進行了驗證，結(jié)果說明其輸出波形質(zhì)量高，總諧波含量少，方法簡便可靠。

責(zé)任編輯：gt