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

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。
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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