基于TMS320F28335的改进型非对称规则采样算法实现

王承宇 胡琪 王福林

（第七一五研究所，杭州，310023）

基于TMS320F28335的改进型非对称规则采样算法实现

王承宇 胡琪 王福林

（第七一五研究所，杭州，310023）

SPWM逆变器已经在声呐发射机中取得了广泛应用。对于单频信号而言，规则采样算法虽然容易实现，但产生的信号中含有大量二次、三次谐波分量；自然采样算法虽然谐波含量小，但算法复杂。为解决上述问题，采用一种改进型非对称规则采样法，得到更接近自然采样算法的开关点。在Simulink中对该算法进行了仿真，结果表明该方法在各个频率下均能够有效的消除输出信号中的二次、三次谐波。在数字信号处理器TMS320F28335实现该算法，实测结果与仿真结果一致。

单频信号；非对称规则采样法；数字信号处理器；TMS320F28335

正弦脉宽调制(SPWM)技术是将所需输出波形作为调制波，将N倍于调制波频率的三角波作为载波，从而获得一组幅值相等、脉冲宽度按调制波幅值变化的窄脉冲序列。由该脉冲信号来控制功率开关管的通断，从而把直流电逆变为交流电。因SPWM逆变器具有体积小、效率高、易于数字实现等优点，目前已经在声呐发射机中广泛应用。声呐发射机中输出的信号类型主要可以分为单频信号和双曲调频信号两类。为减小单频输出信号中的谐波含量，本文对传统的非对称规则采样法进行了改进，以提升信号质量，并在 TI公司的数字信号处理器TMS320F28335上实现了该算法。

1 单频信号算法实现

1.1 非对称规则采样法

图1为传统非对称规则采样算法示意图，即在一个三角载波周期内分别在载波的顶点和底点时刻对正弦调制波进行一次采样，并将采样值保存。当三角载波值达到采样值时，输出信号完成一次逻辑状态切换。

图1非对称规则采样示意图

图2中分别为对称规则采样和非对称规则采样算法信号谐波频谱，信号频率 2.5 kHz，开关频率50 kHz。可以看出传统非对称规则采样算法输出信号中二次谐波含量较小，但仍存在较丰富的三次谐波。

图2 规则采样谐波频谱

1.2 改进型非对称规则采样法

理论分析表明自然采样算法的优点在于输出信号中除基波外只含有载波倍频次谐波及其边带谐波，不存在基波分量的整数次谐波[1]。图3中A、B和C分别为非对称规则采样时的采样点，H和I为对应开关点。可以看出当开关频率不够高时，非对称规则采样算法开关点H和I与自然采样算法开关点F和G仍有一定差距。本文采用的方法是通过非对称规则采样算法的采样点估算出一组新的开关点，使新的开关点更加接近自然采样开关点从而获得更高的信号质量。

图3 非对称规则采样法开关点

D为AB连线中点，在载波递增半周期中，可以看出F和D点在Y方向的差值与AB的斜率成正比，在载波递减半周期中也有同样规律。为减小计算量，本文将上述关系做线性处理，得到新的开关点，开关点对应Y方向的幅值为

由于自然采样开关点的求解为超越方程，无法直接求解。因此本文所采用的方法是在Simulink中建立仿真模型，得到输出信号三次谐波分量随k值的变化关系，从而解得最优值。仿真模型见图4。

图4 Simulink仿真模型

通过上述模型，对k值由0～0.5输出信号的基波、三次谐波分量进行计算，结果如图5所示。可以看出基波分量保持不变，三次谐波分量随k值先减小后增大，当k取0.25时，三次谐波含量最小。

图5 输出信号谐波分量随k值变化关系

因此k的最优取值即为0.25，最终得归一化表达式

式中f为信号频率，Ttr为三角载波频率，M为调制度。

2 仿真结果

图6为改进型非对称规则采样谐波频谱，与图2图（b）中传统非对称规则采样频谱对比可以看出三次谐波分量已经得到了有效的抑制。分别用非对称规则采样算法与改进型非对称规则采样算法输出信号三次谐波含量，取基波与三次谐波分量的差值，开关频率均为50 kHz，仿真结果见表1。可以看出改进型非对称规则采样法的三次谐波分量在各个频率下较非对称规则采样法均有较为显著的减小。

图6 改进型非对称规则采样谐波频谱

表1 不同频率下三次谐波分量仿真结果

3 软件设计

TMS320F28335是 TI公司推出的 32位浮点DSP处理器，最大主频达150 MHz，内嵌256 K闪存，具有DMA控制器和PWM单元，适用于电力电子技术领域。

程序主要可分为采样点计算子程序和DMA中断子程序两部分[2]，在内存中开辟5个缓存区用于存放采样点数据，程序功能框图见图7。采样点计算程序负责计算采样点数据，将数据写入空的缓存区并修改标志位，标志位用于标记存入缓存区数据的先后顺序；每当到达三角载波的顶点和底点时刻由 DMA控制器将相应缓存区中的采样数据写入PWM 单元；当一个缓存区的数据发送完成后，将产生DMA发送完成中断，跳入DMA中断程序，DMA中断程序清空前个缓存区的标志位并切换到下一个缓存区开始数据发送。采样计算流程图见图8，DMA中断流程图见图9。

图7 程序功能框图

图8 采样点计算子程序流程图

图9 DMA中断程序流程图

4 实验结果

分别采用非对称规则采样算法和改进型非对称规则采样算法在处理器TMS320F28335上产生频率为2.5 kHz的单频PWM信号，开关频率为50 kHz。通过电脑声卡对输出信号进行采样，在Matlab中对采集信号谐波进行了计算，处理结果见图10和图11。可以看出采用改进型非对称规则采样算法后，输出信号中的三次谐波分量大大减小。

图10 非对称规则采样实测谐波频谱

图11 改进型非对称规则采样实测谐波频谱

对各个频率下输出信号的三次谐波分量进行了测试，从表2中可以看出改进型非对称规则采样算法有良好的效果，与仿真结果一致。

表2 不同频率下三次谐波分量实测结果

与表1仿真结果对比，实测结果与仿真结果仍有一些差别，这主要由两方面原因导致：首先，采集信号使用的电脑声卡的采样率和分辨率分别为48 kHz和16位，采样导致的时量化误差会对最终结果产生一定影响；另一方面，为保证逆变器直流输出端不发生短路，在实际输出信号中设置了一定死区时间，死区信号的引入也会对输出信号的谐波产生一定影响[3]。这方面原因综合导致了实测结果与仿真结果的偏差。

从表2中两种方法的实测结果来看，改进型非对称规则采样算法相比传统的非对称规则采样算法在各个频率下三次谐波分量均有明显降低，证明了该方法的有效性。

5 结论

本文在 SPWM 信号非对称规则采样法的基础上，经过优化改进提出了一种改进型的非对称规则采样算法，并对该方法原理以及实现进行了详细论述。研究结果表明，该方法仅对规则采样算法中的采样点进行简单的线性变换，无需进行复杂的运算；同时从输出信号的谐波质量来看，输出信号中的三次谐波含量较传统的非规则采样算法降低了约20 dB。因此，该方法具有计算量小、输出信号质量高等优点，适用于各类处理器主频有限的嵌入式应用场合。

[1]陈坚,康勇.电力电子学[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]孙丽明.TMS320F2812原理及其 C语言程序开发[M].北京:清华大学出版社,2008.

[3]阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京:科学出版社,2000.