三相正弦波脈寬調制（SPWM）信號發生器SM2001

摘要：介紹一種可自動產生三相正弦波脈寬調制波形的專用芯片的結構、原理及使用方法。它可廣泛用于三相電機的變頻控制，三相UPS的驅動等領域。關鍵詞：正弦波脈寬調制；接口；變頻；控制

圖1SM2001外形與管腳

圖2SM2001內部邏輯框圖

1引言

SM2001是可產生三相SPWM驅動波形的大規模集成電路。它的工作頻率寬，合成正弦諧波小，調節方便、準確，保護電路完善，無需外部元器件，且有普通正弦波和高效電機驅動波兩種波形的選擇，可廣泛用于交流異步電機的變頻驅動，如變頻空調、變頻冰箱和變頻洗衣機的控制驅動，各類工業水泵、風機的變頻驅動，各類不間斷電源（UPS）以及其它一些需要三相SPWM波形驅動的功率控制電路中。

2SM2001結構與邏輯框圖

SM2001采用0.6μmCMOS工藝制造。電路內部集成有三線串行接口、雙波形正弦發生器、幅度因子乘法器、PWM波形發生器、死區時間和窄脈沖控制電路、啟動電路和保護電路等。封裝采用DIP18塑封。

SM2001的外形圖如圖1所示。其管腳說明如表1所列。其內部邏輯框圖如圖2所示。

3SM2001的設計特點 SM2001設計特點如下：

1）全數字化設計，全數字化電路。

2）內部帶兩套波形發生器，可產生標準正弦波和用于交流電機控制的高效準正弦波。

3）自動產生三相PWM調制波形，范圍從0到200Hz（時鐘為20MHz時），步進頻率為最大頻率的1/255。

三相正弦波脈寬調制（SPWM）信號發生器SM2001

表1管腳說明管腳名稱類型功能說明
1CLKI外部時鐘輸入腳
2RSTI復位腳，為低時復位芯片
3CSI串口片選腳，低通訊有效
4CKI串口時鐘腳，上升沿鎖入數據
5DAI串口數據腳
6OEI輸出控制腳，為高允許PWM輸出
7INTI異常中斷腳，下降沿觸發
8WVSI內部波形選擇，高效/普通
9GNDI數字地
10GNDI輸出地
11WBIW相下橋臂驅動腳
12VBOV相下橋臂驅動腳
13UBOU相下橋臂驅動腳
14WTOW相上橋臂驅動腳
15VTOV相上橋臂驅動腳
16UTOU相上橋臂驅動腳
17VDDI正電源（＋5V）
18VDDI正電源（＋5V）

4）采用雙邊沿規則采樣產生PWM調制波形。

5）載波頻率可多級選擇，最高可達到38kHz。

6）可選擇死區時間和窄脈沖時間，范圍從0.05μs～25.6μs。

7）采用高速三線同步串行接口，通訊速度可達到1MHz。

8）通過MCU進行參數化控制，需要占用MCU的資源極小。

9）驅動電流達20mA，可直接驅動光耦。

10）采用外部時鐘驅動，可與單片機共用一個晶體諧振器，最高工作頻率可達24MHz。

11）有完善的多級保護電路，保護動作靈敏（典型反應時間小于2個時鐘周期）。

12）PWM波形調整快，在一個PWM周期內即可完成變換。

13）三相輸出的電平為負脈沖有效，無波形輸出時保持高電平。

SM2001有6個PWM輸出端口，通過雙邊沿規則采樣的方法產生6路PWM輸出波形，分別驅動U、V、W三相橋式功率開關，每相的信號由2路與TTL電平兼容的管腳輸出。該信號通常是通過外部的隔離器件（如光耦）來驅動橋式電路。2個信號分別驅動某一相的上半橋臂和下半橋臂。

在通過PWM合成正弦波的方法中，有多種參數需要確定，如：三相正弦波的頻率、三相正弦波的幅度、PWM波的頻率、最小窄脈沖寬度和死區時間。在SM2001的控制設置中，這些參數全部可以通過一個高速串行口進行實時調節。

對于電力應用或功率電路的驅動，除正常的功能外，最重要的就是完善的保護機制了。而SM2001具有完善的保護電路。在SM2001中，設置了三個層次的安全保護。

一個是SPWM輸出的開啟命令：在SM2001的設置中，有一條開啟指令，在所有的初始化參數設置完成后，芯片并不是立即產生輸出波形，只有在開啟命令發布后，SPWM波形才會輸出，這是為了防止在系統未完成初始化時有錯誤的波形產生。而一旦開啟SPWM的輸出后，再進行參數設置時，SPWM的變化將立即出現，不再需要開啟命令了。

第二個保護是OE控制端，它是用于單片機的普通輸出控制的。在SM2001上有一個使能控制端OE，接受控制系統的控制信號。當OE為高電平時，SPWM完整輸出波形，否則，輸出將保持高電平靜止狀態。

第三重保護是異常中斷控制端INT，主要是接受系統的異常信號，如輸出短路、斷相等異常信號。當外部檢測電路發現異常，在INT上產生一個負電平或負脈沖信號，SM2001的輸出將立即截止，且反應時間小于200ns，大大高于普通采用單片機系統產生SPWM波形的控制模式。在異常保護出現后，芯片將不能通過命令恢復輸出（防止由于單片機的故障而產生錯誤的開啟），只有在重新上電或RST復位后，芯片才能重新接受控制。

由于SM2001采用了內部的大規模正弦波形發生器，所以輸出的正弦波精度高，失真和諧波都很小，且由于采用參數設置的方式，各種微處理器都可以很方便地控制SM2001。由于是全數字化的設計，內部的波形發生器、乘法器、PWM波形產生電路的精度都高于最后實際的輸出精度，所以產生的SPWM波形具有非常高的準確度和穩定性。而精確的波形可以使功率輸出電路的效率得到提高。

SM2001完全可以作為微處理器的一個獨立的外部電路工作。在設置初始化條件后，SM2001完全自動產生SPWM驅動波形。只有當需要改變輸出波形或處理異常中斷等狀態時，才需要微處理器的干預。

在SM2001芯片內部有兩套標準的三相SPWM驅動波形，即純正弦波和高效準正弦波。可通過端口WVS的設置電平來選擇。其中純正弦波主要用于UPS等系統，而高效準正弦波主要用于交流電機驅動方面，這種波形可提高電機驅動系統的效率。這兩種

波形可以滿足絕大部分的應用需求。對于特殊的波形需求則可以通過修改波形發生器來得到。

4內部控制寄存器說明

SM2001的工作狀態和輸出信號的參數是由內部的寄存器控制。寄存器大小為8Bit，地址用3Bit的二進制碼表示。故通訊數據為11Bit。

4?1頻率控制寄存器PFR(地址011)

控制三相SPWM波的頻率，256級選擇精度，地址為011。它控制輸出的PWM合成的正弦波的頻率，三相波形的頻率是相同的，通過此寄存器進行選擇。B7B6B5B4B3B2B1B0
Pf7Pf6Pf5Pf4Pf3Pf2Pf1Pf0
輸出的三相波頻率fsin由式（1）算出

fsin=fclk×PFR/(512×192×256)（1）

式中：fclk——是系統時鐘的頻率；

PFR——PFR寄存器的值(0～255)。

例如：如果時鐘頻率為20MHz，PFR=63，則三相正弦波的頻率為50.1Hz。

4?2調制度控制寄存器AMPR(地址010)

改變輸出三相波的幅度，256級選擇精度，地址為010。它控制輸出的PWM合成的正弦波的幅度，三相波形的幅度是相同的，通過此寄存器進行選擇。B7B6B5B4B3B2B1B0
Amp7Amp6Amp5Amp4Amp3Amp2Amp1Amp0
輸出的三相波幅度Asin由式（2）算出

Asin=（AMPR/255）×100％(2)

式中：AMPR——AMPR寄存器的值（1～255）。

例如：如果后級功率電路的直流電壓為300V，AMPR=128，選取純正弦波輸出，則輸出正弦波的峰值電壓為150V，有效值電壓為106V。但根據死區時間和窄脈沖時間的大小不同而產生的效應，實際的輸出電壓可能略小于此數值。

4?3PWM開關頻率和窄脈沖寄存器FPDR

（地址001）

設置PWM載波的開關頻率和要刪除的無效窄脈沖寬度，地址為001。PWM的開關頻率是后級大功率管或大功率模塊的重要參數之一，它往往取決于后級功率電路的開關時間、工作效率、是否要靜音設計等要求。本芯片的PWM的開關頻率與時鐘頻率有關，在20MHz時鐘時最高開關頻率可達到38kHz，完全滿足高速儀表中的靜音設計要求。B7B6B5B4B3B2B1B0
CF1CF0PD5PD4PD3PD2PD1PD0
4.3.1PWM頻率選擇位CF1、CF0

當CF1、CF0為11、10、01、00時，其對應的分頻系數N則分別為8、4、2、1。

PWM開關頻率fc由式（3）算出

fc=fclk/（512×N）(3)

例如：若時鐘頻率為20MHz，PWM頻率選擇字為11，則

fc=20000000/(512×8)=4882Hz

4.3.2窄脈沖時間選擇位PD5～PD0

窄脈沖的時間tpd由式（4）算出

tpd=PD/（fc×512）(4)

式中：PD——窄脈沖時間選擇數值。

窄脈沖刪除功能是指在PWM波中，由于后級電路的開關時間問題，小于tpd寬度的脈沖不能引起后級電路的動作，可以被刪除去。參見圖3。

4?4死區時間選擇寄存器DTIM（地址100）

設置PWM載波的死區時間寬度，地址為100。B7B6B5B4B3B2B1B0
－－DT5DT4DT3DT2DT1DT0
PWM載波的死區時間也是后級大功率管或大功率模塊的重要參數之一，它取決于后級功率電路的導通時間和截止時間。對于采用IGBT作為功率輸出的電路，則尤為重要。如果設置不當，會導致功率電路燒毀或諧波失真增加，死區時間設置參見圖4。

死區時間tpdy由式（5）算出:

tpdy=DT/（fc×512）（5）

式中：DT——死區時間選擇數值。

圖3窄脈沖刪除示意圖

三相正弦波脈寬調制（SPWM）信號發生器SM2001

表2復位狀態時各寄存器內容寄存器復位值111111111100110000111110XX111111
寄存器窄脈沖選擇和PWM頻率寄存器幅度控制寄存器AMPR頻率控制寄存器PFR死區時間控制寄存器DTIM
fclk=20MHzVDD=300VfPWM=4882Hztpd=25.6μs80％50Hztpdy=25.6μs

圖4死區時間設置

圖5數據的輸入時序

4?5開啟命令START（地址110）

在完成芯片的各項參數的初始化設置后，通過往地址110中寫入5FH，即可以開啟芯片的SPWM輸出。以后的參數改變，一旦寫入寄存器即立即表現出來，不必再使用開啟命令了。

5三線同步串行接口

SM2001的寄存器是通過一個三線同步串行接口進行設置的。A0A1A2D0D1D2D3D4D5D6D7
寄存器選擇寄存器數據

當片選CS為低時，芯片進入串行通信狀態，在每個時鐘CK的上升沿，數據線DA上的數據被移入內部緩沖器，當11個數據位全部進入緩沖器后，在最后一個CK脈沖的認可下，數據被轉入相應的寄存器，且命令被立即執行。

地址和數據的低位在先傳入，分別為A0、A1、A2、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。由于內部的時序原因，在完成所有的數據輸入，CS恢復高電平后，必須在CK上額外地多加入一個時鐘，完成數據的認可，具體如圖5所示。

6上電和復位

RST接低電平時，芯片進入復位狀態。此時輸出端輸出高電平，各寄存器的內容如表2所列。

復位主要是用來恢復INT異常中斷的狀態。如果不是首次上電，復位并不能清除開啟命令。在芯片工作中時復位，芯片將以初始化條件輸出PWM波形，所以應配合使用OE的功能，首先關閉SPWM輸出（OE=0），復位電路（RST上加入一個負脈沖），在設置好需要的參數后，再開啟OE，才能正常的輸出波形。

當采用20MHz的時鐘時，表2中的缺省條件表示PWM的頻率為4882Hz，死區和短脈沖時間為25.6μs，正弦波頻率為50Hz，合成正弦波峰值幅度為電源的80％。（注意：在芯片的OE不為高，或MCU未發送開始命令時，U、V、W端口并沒有實際的SPWM輸出）

當芯片首次上電時，也將自動復位所有的寄存器為內部初始值，且芯片的輸出端保持高電平（不輸出時的缺省狀態）。

7示范電路和與IPM的接口

示范電路與IPM接口電路如圖6所示。

7?1說明

1）采用簡單的MCU的5根IO口即可控制SM2001，并直接將MCU的時鐘作為SM2001的時鐘。

2）IPM的驅動及電源要求見三菱電機的手冊《智能化IGBT模塊——IPM》。

7?2示范程序

CLRRES；芯片復位

ACALLDELAY3；延時

SETBRES

CLROE；關閉輸出CLRTCK

SETBTCS；選擇通訊

MOVA,＃03H；設置PFR寄存器

MOVB,＃50；初始頻率30Hz

ACALLCOMMOUT

（a）示范電路

(b)與IPM接口電路

圖6示范電路與IPM接口電路

三相正弦波脈寬調制（SPWM）信號發生器SM2001

MOVA,＃02H；設置AMPR寄存器

MOVB,＃80H；初始幅度80％

ACALLCOMMOUT

MOVA,＃01H；設置FPDR寄存器

MOVB,＃11010000b；PWM頻率5KHz

ACALLCOMMOUT；窄脈沖6.25us

MOVA,＃04H；設置DTIM寄存器

MOVB,＃00010000b；死區時間6.25us

ACALLCOMMOUT

SETBOE

MOVA,＃06H;開啟PWM輸出

MOVB,＃5FH

ACALLCOMMOUT

......

8SM2001控制流程

控制流程圖如圖7所示。

參考文獻

[1]深圳國微電子股份有限公司.SM2001數據手冊[M].2002.

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