Анучин А.С. Использование микроконтроллера для управления АД TMS320x24xx в задачах реального времени

Подождите немного. Документ загружается.

Лабораторно-практическая работа №3

Таймеры общего назначения. Модули сравнения и генерации

ШИМ-сигналов

1. Использование отладочной среды MCWIN

Запустите программу Procev.exe. На панели управления выберите при-

ложение для изучения

таймеров общего назначения. Ознакомьтесь с мето-

дикой программирования таймеров общего назначения, используя

МСК240

Руководство пользователя

2. Программирование таймеров с использованием платы

сопряжения

Для программирования таймеров общего назначения следует знать

блоки, из которых состоит каждый таймер, регистры, которые следует кон-

фигурировать для управления таймерами, а также прерывания, которые мо-

жет генерировать каждый таймер.

2.1. Функциональные блоки таймера общего назначения

Состав блока таймера:

9 Один 16-разрядный счетчик TxCNT (x = 1, 2, 3), для счета вверх и

вверх/вниз, доступный для чтения/записи (R/W).

9 Один 16-разрядный регистр сравнения TxCMPR (x = 1, 2, 3), (R/W).

9 Один 16-разрядный регистр периода TxPR (x = 1, 2, 3), (R/W).

9 Один 16-разрядный регистр управления TxCON (x = 1, 2, 3), (R/W).

9 Программируемый предварительный делитель частоты для обоих

внутреннего и внешнего входов тактирующих сигналов.

9 Блок управления и генерации прерываний.

9 Один выход сравнения таймера, TxPWM/TxCMP (x = 1, 2, 3).

9 Блок управления выходами.

2.2. Управление работой таймера общего назначения

Режим работы таймера общего назначения задается в управляющем ре-

гистре, TxCON. Биты TxCON определяют:

9 один из 6-и режимов счета находится таймер;

9 внутренние или внешние тактирующие сигналы будут использоваться

таймером;

9 одно из шести значений предварительного деления частоты (от 1 до

1/128) входных тактирующих сигналов будет использоваться;

9 условие перезагрузки регистра сравнения таймера;

9 состояние таймера вкл./выкл;

9 разрешена или запрещена операция сравнения;

9 будет ли использоваться период работы таймера 1 или собственный

период (только для таймеров 2 и 3);

9 будет ли использоваться сигнал переполнения таймера 2 как такти-

рующий сигнал для таймера 3 (только для таймера 3).

Регистр управления таймером общего назначения (GPTCON)

Регистр управления GPTCON определяет действие, выполняемое тай-

мером общего назначения (запуск АЦП, полярность выхода сравнения тай-

мера) и указывает направление счета.

Регистры сравнения таймера общего назначения

В регистре сравнения таймера общего назначения хранится величина, с

которой сравнивается содержимое счетчика таймера. Когда значения совпа-

дают, выход сравнения таймера ведет себя так, как это определено в регистре

GPTCON, выставляется соответствующий флаг прерывания. Операция срав-

нения может быть включена или выключена битом 1 регистра TxCON.

Регистр периода таймера общего назначения

Значение, хранящееся в регистре периода таймера общего назначения,

определяет период счета таймера. От того, в каком режиме счета находится

таймер, зависит, что произойдет при совпадении значения счетчика таймера

и регистра периода: остановка на текущем значении, сброс в 0 или начало

счета в обратном направлении.

32-битный таймер

Сигнал переполнения таймера 2 подается на вход тактирующих им-

пульсов таймера 3, таким образом, таймеры 2 и 3 соединяются в один 32-

битный таймер. В этом случае значение, отсчитанное таймером 2, рассматри-

вается как младшие 16-бит 32-битного счетчика. Полученный таким образом

32-битный таймер может работать только в режиме направляемого счета.

2.3. Прерывания таймера общего назначения

Существует 12 флагов прерываний в EVIFRA и EVIFRB для трех тай-

меров общего назначения. Каждый таймер может генерировать четыре пре-

рывания в соответствии со следующими событиями:

9 Положительное переполнение: TxOFINT (x = 1, 2 или 3).

9 Отрицательное переполнение: TxUFINT (x = 1, 2 или 3).

9 Сравнение: TxСINT (x = 1, 2 или 3).

9 Достижение периода: TxPINT (x = 1, 2 или 3).

Событие «сравнение» происходит в случае совпадения значения счет-

чика таймера и регистра сравнения. Соответствующий флаг выставляется

спустя два такта центрального процессора, если операция сравнения включе-

на. Событие «положительное переполнение» (переполнение) происходит при

достижении таймером значения FFFFh. Событие «отрицательное переполне-

ние» (заем) происходит при достижении таймером значения 0000h. Подоб-

ным образом, событие «достижение периода» происходит при достижении

таймером значения, записанного в регистре периода.

3. Задание для выполнения в лаборатории

3.1. Напишите программу, которая запускает 2 таймера и генерирует пре-

рывание по периоду одного из таймеров. Процедура обработки прерывания

заключается в сбросе второго таймера в 0.

Инициализация переменной _stop;

инициализация программы _logger

Начало

Инициализация регистра GPTCON

Инициализация периодов 1-ого и 2-ого

таймеров, счетчиков и регистров управления

таймерами

(T1PR, T2PR, T1CNT, T2CNT, T1CON, T2CON)

_stop == 0

Конец

false

true

Вызов программы _logger

Разрешение прерываний по периоду 1-ого

таймера (EVIMRA); загрузка в таблицу

векторов (TPINT1) адреса процедуры

обработки прерывания по периоду

1-ого таймера

Резрешение прерывний второго уровня (IMR);

разрешение маскируемых прерываний (INTM)

Вызов программы "Монитор"

Сохранение счетчиков таймеров

в осциллографируемых переменных

(T1CNT, T2CNT)

Процедура

обработки

прерывания по

периоду первого

таймера

Обнуление счетчика второго таймера

Восстановление контекста

Возврат из ПОП

Запрограммируйте таймеры так, чтобы период второго таймера был

меньше периода первого. Подстыкуйте программу осциллографирования.

Для получения хороших осциллограмм необходимо поставить на таймеры

максимальные делители частоты. Запустите программу и заосциллографи-

руйте значения счетчиков первого и второго таймера, затем подключите пре-

рывание по периоду первого таймера. Получите осциллограмму работу тай-

меров с измененной программой.

3.2. Напишите программу, аналогичную предыдущей, но прерывание

должно вызываться по сравнению. Алгоритм остается практически тем же

самым.

3.3. Запрограммируйте таймер на работу в режиме ШИМ, скважность

ШИМ должна периодически меняться. Изменения скважности сигнала мож-

но добиться, изменяя в процедуре обработки прерывания по сравнению зна-

чение регистра сравнения на заданное число. При написании программы

можно воспользоваться следующим алгоритмом.

Инициализация переменной _stop

Начало

Инициализация регистра GPTCON

Инициализация периода 1-ого таймера,

счетчика, регистра сравнения, регистра

управления таймером и регистра управления

режимами сравнения

(T1PR, T1CNT, T1CMPR, T1CON, COMCON)

_stop == 0

Конец

false

true

Разрешение прерываний по сравнению 1-ого

таймера (EVIMRA); загрузка в таблицу

векторов (TСINT1) адреса процедуры

обработки прерывания по сравнению

1-ого таймера

Резрешение прерывний второго уровня (IMR);

разрешение маскируемых прерываний (INTM)

Вызов программы "Монитор"

Процедура

обработки

прерывания по

сравнению

первого

таймера

Увеличение регистра сравнения

первого таймера на 10h (T1CMPR)

Восстановление контекста

Возврат из ПОП

Инициализация вывода T1PWM на спец-функцию

Для контроля результата выполнения программы можно воспользо-

ваться аппаратным осциллографом или наблюдать поведение светодиода на

плате сопряжения, подключенного к выходу T1PWM.

Лабораторно-практическая работа №4

Многоканальный генератор периодических сигналов прямого

цифрового управления ключами инвертора. Способы

реализации асимметричной и центрированной ШИМ

1. Использование отладочной среды MCWIN

Запустите программу Procev.exe. Выбрав на панели управления при-

ложение для изучения

PWM (ШИМ), вы можете протестировать работу мо-

дуля полного сравнения в режиме симметричной и асимметричной ШИМ.

Подробное описание работы приложения вы можете найти в пособии

МСК240 Руководство пользователя.

2. Программирование симметричной и асимметричной ШИМ с

использованием платы сопряжения

Суть метода заключается в одновременном управлении на заданной

несущей частоте (обычно 5-20 кГц) сразу всеми шестью ключами инвертора

(рис.1) таким образом, что в средних точках каждой стойки инвертора фор-

мируются волны синусоидального выходного напряжения U

, U

, сдвину-

тые друг относительно друга на угол 120 электрических градусов. При этом

верхний и нижний ключи всегда коммутируются в противофазе и макси-

мальная амплитуда выходного сигнала равна половине напряжения на звене

постоянного тока U

/2.

Рис.1. Инвертор

Этот метод может быть реализован двумя способами на базе центриро-

ванной ШИМ и на базе фронтовой ШИМ. При реализации на базе фронтовой

ШИМ значение в регистре счета возрастает с нуля до значения в регистре пе-

риода, сбрасывается в 0, и период повторяется снова. При реализации на базе

центрированной ШИМ значение в регистре счета возрастает с нуля до значе-

ния в регистре периода, затем счет продолжается в обратном направлении до

нуля, далее начинается новый период счета. На рис.2 показаны оба способа

реализации синусоидальной ШИМ. Как видно из диаграмм работы, сигналы

управления работой ключей при фронтовой ШИМ сдвинуты по отношению к

середине периода, а в центрированной ШИМ расположены симметрично.

При одновременном управлении большим количеством ключей фронтовая

ШИМ допускает их одновременное переключение, что нежелательно.

GND

Udc

Ua Ub Uc

Q3 Q5

Q6Q4Q2

а) б)

Рис.2. Диаграммы работы модулей сравнения: а – в режиме асимметрич-

ной ШИМ, б – в режиме симметричной ШИМ

Значения скважностей по ключам вычисляются по следующим форму-

лам:

5,0

sin5,0

5,0

sin5,0

5,0sin5,0













π⋅−ϕ⋅=γ













π⋅+ϕ⋅=γ

+ϕ⋅=γ

а значения для сравнения:

PERIODPWMCMPR

⋅γ=

⋅

3. Задание для выполнения в лаборатории

3.1. Напишите программу, в которой будет организовано прерывание тай-

мера, работающего в симметричном режиме, вызывающее готовый блок си-

нусоидальной ШИМ. Модуль синусоидальной ШИМ работает со следующи-

ми входными параметрами:

переменные в памяти

magnitude – определяет величину выходного вектора напряжения

(формат 1.15);

fi_l, fi_h – определяет значение электрического угла вектора на-

пряжения (формат 1.31);

delta_fi_l, delta_fi_h – определяет приращение угла вектора напряжения на

периоде ШИМ (формат 1.31);

константы, определенные в программе пользователя

pwm_period – значение регистра периода таймера.

TxPER

CMPRx

TxPER

CMPRx

CNTx

В программе следует задаться частотой ШИМ (например, 10 кГц), ус-

тановить величину требуемого вектора напряжения и приращения угла на

периоде ШИМ и правильно сконфигурировать ШИМ-генератор в режим

симметричной ШИМ.

Для написания вы можете воспользоваться следующим алгоритмом.

Инициализация переменной _stop

Начало

Инициализация амплитуды вектора

наприяжения и приращения угла

на периоде ШИМ

(magnitude, delta_fi_l, delta_fi_h)

Инициализация периода 1-ого таймера

(T1PR), счетчика (T1CNT), регистра

управления работой модуля полного

сравнения (ACTR), регистра управления

генератором "мертвого" времени (DBTCON),

регистров полного сравнения (CMPR1,

CMPR2, CMPR3), регистра управления

таймером (T1CON) и регистра управления

режимами сравнения (COMCON)

_stop == 0

Конец

false

true

Разрешение прерываний по заему 1-ого

таймера (EVIMRA);

загрузка в таблицу векторов (TUFINT1)

адреса процедуры обработки прерывания

по заему 1-ого таймера

Резрешение прерывний второго уровня (IMR);

разрешение маскируемых прерываний (INTM)

Вызов программы "Монитор"

Процедура

обработки

прерывания по

заему первого

таймера

Вызов процедуры синусоидальной ШИМ

(sin_pwm)

Восстановление контекста

Возврат из ПОП

Инициализация переменных модуля

синусоидальной ШИМ (sin_pwm_init)

3.2. Напишите программу, в которой будет организовано прерывание тай-

мера, работающего в асимметричном режиме, вызывающее готовый блок си-

нусоидальной ШИМ. Для написания вы можете воспользоваться предыду-

щим алгоритмом, что и для центрированной ШИМ.

Лабораторно-практическая работа №5

Многоканальный генератор периодических сигналов прямого

цифрового управления ключами инвертора. Продолжение.

Блок векторной ШИМ. Оценка эффективности метода

модуляции базовых векторов

1. Использование отладочной среды MCWIN

Запустите программу Procev.exe. Выбрав на панели управления при-

ложение для изучения

PWM (ШИМ), вы можете протестировать работу мо-

дуля полного сравнения в режиме векторной ШИМ. Интерфейс приложения

работы в режиме векторной ШИМ похож на интерфейс приложения работы в

режимах симметричной и асимметричной ШИМ, только вместо временных

диаграмм появилась картинка с пространственным вектором, в которой с по-

мощью мыши можно установить любой вектор, а вместо области

Compare

Threshold Settings

появилась область Space Vector Parameters, в которой в

окошке

θ вы можете задать угол вектора, в окошке ρ его амплитуду, а в

окошке

Direction направление перебора векторов.

2. Программирование векторной ШИМ с использованием

платы сопряжения

Суть данного метода заключается в отказе от одновременной коммута-

ции всех ключей инвертора. Рассмотрим все возможные комбинации вклю-

чения ключей инвертора, всего их восемь. Эти комбинации и соответствую-

щие им фазные и линейные напряжения при постоянном напряжении пита-

ния

показаны в таблице 1. a, b и с соответствуют состоянию верхних

ключей в стойках инвертора (а = 1 – включен верхний ключ в стойке фазы а,

а = 0 – включен нижний ключ).

Таблица 1. Возможные комбинации включения ключей инвертора

a b c Va0(Udc) Vb0(Udc) Vc0(Udc) Vab(Udc) Vbc(Udc) Vca(Udc)

0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1

0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 -1 1 0

0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1

1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1

1 0 1 1/3 -2/3 1/3 1 -1 0

1 1 0 1/3 1/3 -2/3 0 1 -1

1 1 1 0 0 0 0 0 0

Восемь комбинаций включения дают нам восемь базовых векторов на-

пряжений – шесть с длиной равной максимальному фазному напряжению

(2/3)

⋅ U

и два нулевых вектора. Путем переключения на периоде ШИМ ме-

жду двумя соседними базовыми векторами и одним из нулевых векторов

можно получить любой требуемый вектор выходного напряжения. На рисун-

ке 1 показаны базовые вектора в плоскости статора (

α, β).

Uout

U (001)

U (011)

U (010)

120

U (110)

180

U (100)

240

U (101)

300

Рис.1. Базовые вектора

Величину выходного напряжения можно определить по формуле:

)0или0(

111000

⋅+⋅+⋅=

вых

U ,

где

– время включения вектора

U ; T

– время включения вектора

60+X

U ; T

– время включения нулевого вектора; T

– продолжительность пе-

риода ШИМ (

= T

+ T

Обозначим отношение времени включения вектора к продолжительно-

сти периода как скважность

γ:

=γ

Учитывая, что последний член в уравнении для напряжения на выходе

инвертора нулевой уравнение можно записать в следующем виде:

⋅γ+⋅γ=

вых

UUU .

Для получения максимальной амплитуды выходного вектора необхо-

димо сделать, чтобы

= 0. Тогда получим T

= T

+ T

или, разделив обе час-

ти на

, получим γ

+ γ

m+1

= 1. Уравнение выходного напряжения перепишем

в виде:

)1(

⋅γ−+⋅γ=

вых

UUU .

Мы получили уравнение прямой, проходящей через концы базовых

векторов. Очевидно что, поддерживая максимальную величину вектора на-

пряжения (

= 0) получаем пульсации вектора выходного напряжения (фаз-

ные напряжения становятся несинусоидальными). Для сохранения синусои-

дальности выходного напряжения необходимо ограничить его в пределах ок-

ружности, вписанной в шестиугольник, образованный из отрезков, соеди-

няющих концы базовых векторов. На рис.2 показана амплитуда максималь-

ного вектора фазного напряжения, при которой сохраняется синусоидаль-

ность. Можно вывести формулу для определения максимальной амплитуды

вектора фазного напряжения:

dcdcdcф

UUUU ⋅=⋅⋅=













⋅⋅= 577,0

cos

max.

U (001)

U (011)

U (010)

120

U (110)

180

U (100)

240

U (101)

300

Рис.2. Амплитуда максимального вектора фазного напряжения, при ко-

торой сохраняется синусоидальность

При использовании неуправляемого выпрямителя с C-фильтром дейст-

вующее значения напряжения на звене постоянного тока будет определяться

по формуле:

фdc

UU ⋅⋅= 32 .

Получим формулу для действующего значения первой гармоники мак-

симального фазного напряжения при векторной ШИМ:

ффф

UUU =⋅⋅⋅⋅= )32577,0(

max.

Для сравнения, получим действующее значение первой гармоники

максимального фазного напряжения при синусоидальной ШИМ:

ффdcф

UUUU ⋅=













⋅⋅⋅⋅=













⋅⋅= 866,032

max.sin.

Таким образом, при векторной ШИМ мы получаем улучшение исполь-

зования напряжения звена постоянного тока.

2.1. Классическая векторная ШИМ

Классическая векторная ШИМ реализуется на базе стандартной цен-

трированной ШИМ. Идея реализации классической векторной ШИМ показа-

на на рис.3а.

В данном виде векторной ШИМ используется двухпроходная комму-

тация с переключением базовых векторов на периоде ШИМ в последова-

тельности: O(000), U

, U

m+1

, O(111), U

m+1

, U

, O(000). Существенными недос-

татками данного метода являются то, на периоде ШИМ происходит шесть

переключений ключей.

2.2. Векторная ШИМ с привязкой к шине

Второй вариант векторной ШИМ заключается в управлении на периоде

ШИМ 2-мя парами ключей, третья пара ключей не изменяет своего состоя-

ния в течение периода, то есть, привязана к верхней или нижней шине пита-

ния. Реализация осуществляется на базе двух каналов сравнения и последо-

вательном управляющем автомате (см.рис.3б).