使用HRPWM的注意事項
發布時間：2023-04-12 來源：TI 責任編輯：wenwei
【導讀】隨著新能源領域的發展, 在數字電源控製係統中要求功率密度高且轉換效率高。其中,整機功率密度的提升，就需要提高開關頻率, 大部分現有產品的開關頻率在50k~200kHz。然而, 由於SiC/GaN器件的大麵積推廣與使用, 開關頻率已經提升到500kHz，甚至1MHz。當係統的開關頻率超過200kHz時，此時PWM脈寬的調節精度會變低, 這就需要使用高精度模式的PWM調製。我們把用於擴展傳統ePWM模塊的時間精度的模塊, 稱之為高精度PWM(High resolution PWM)。本文將對C2000TM片上HRPWM模塊的工作原理、使用方法和注意事項進行詳細討論，並以實際案例進行展示。此外，HRPWM模塊也可以作DAC輸出用來實現模擬信號的觀測。
1.高精度PWM的工作原理 (HRPWM)
1.1 高精度PWM的MEP技術
C2000支持占空比、相移、死區和周期的高精度控製。HRPWM是在普通PWM模塊上采用微邊沿定位 (MEP, micro-edge positioner) 技術實現的。簡單來說, 就是將一個計數周期再拆分為很多個小的MEP步長, 如下圖所示。 其中，MEP最小步長是150ps。
圖1 HRPWM的微邊沿定位MEP示意圖
計算舉例：如下圖所示(開關頻率為1MHz)，控製精度是由PWM的“計數器值”和“比較值”的來決定。F280013x的CPU頻率為120MHz，假設EPWM模塊時鍾為120MHz, 此時EPWM單個計數周期為8.3 ns，MEP步長為150 ps。如此, 可將每一個計數周期再細分為8.3 ns / 150 ps = 55. 56份。如圖中單邊向上計數模式下, 開關頻率為1MHz，則三角波載波周期為1 us, 計數周期TBPRD等於120。如果想實現10.15%的占空比，則邊沿時間的控製應當是 10.15 * 8.3 ns = 84.245 ns。此時, 設定CMPA = 10 （83 ns），剩下的1.245ns(不足單個計數周期)應當由HRPWM模塊來實現, 也就是CMPA上再加上1.245 ns = 1245 ps = 150 ps * 8.3 » 8個MEP步長。
圖2 單邊計數模式下的載波波形
其中，PWM分辨率的計算公式，如圖3所示。
圖3 PWM的分辨率計算公式
圖4為不同開關頻率下的PWM和HRPWM的分辨率。如下圖，當開關頻率＞250k，或者所要求的PWM分辨率>(9-10 bit)時，係統則需要使用HRPWM模塊。
圖4 PWM和HRPWM的分辨率算例表
1.2 高精度PWM的相關寄存器
高精度PWM相關的寄存器，如CMPAHR/CMPBHR、TBPHSHR、TBPRDHR、DBREDHR和DBFEDHR，以及HRPWM的時鍾輸入與配置，如圖5和圖6所示。HRPWM高精度寄存器作用位置是在AQ子模塊之後，由此不會影響AQ執行邊沿動作。
圖5 HRPWM的相關的寄存器
圖6 HRPWM的相關的寄存器作用位置
圖7 HRPWM的時鍾輸入與配置
其中，需要注意的是CMPAHR寄存器隻會影響Channel A，它跟CMPA沒有任何必然關係；CMPBHR寄存器隻會影響Channel B，它跟CMPB沒有任何必然關係。同時, CMPAHR和CMPBHR分別可以作用在上升沿、下降沿和上升/下降沿。如下圖寄存器的說明可知, 如果僅配置CMPAHR寄存器值, 而Channel B上通過死區模塊由PWMxA極性翻轉而來, Channel B 上則不會產生高精度的PWM波形。若需要Channel A和Channel B都需要高精度模式, 此時需要將CMPAHR 與CMPBHR賦予相同的值，從而產生正確的PWM波形，如圖8所示。
圖8 HRPWM的CMPAHR/CMPBHR寄存器說明
1.3 高精度PWM的CMPAHR/CMPBHR寄存器計算
以F28004x/F28003x為例，CMPAHR的算例及計算過程如下圖9所示。分別針對不同CMPAHR和CMPBHR上升沿REP (Rising Edge Position) 、下降沿FEP (Falling Edge Position) 和上升/下降沿BEP (Both Edge Position) 的作用示例。
圖9 HRPWM的CMPAHR算例
CMPAHR和CMPBHR上升沿REP作用示例, 如圖10:
圖10
CMPAHR和CMPBHR下降沿FEP作用示例，如圖11:
圖11
CMPAHR和CMPBHR上升/下降沿BEP作用示例，如圖12:
圖12
1.4 創建和配置高精度PWM的工程項目
1)創建Driverlib的工程項目
Step1：添加 "Include" Files: #include "sfo_v8.h" 以及所對應的庫文件SFO_lib
Step2：聲明Variable Declarations:
uint16_t status = SFO_INCOMPLETE;
uint32_t MEP_ScaleFactor = 0; //scale factor value
volatile uint32_t ePWM[(PWM_CH + 1)] = {0, EPWM1_BASE, EPWM2_BASE};
Step3：縮放因子初始化MEP_ScaleFactor Initialization:
while(status == SFO_INCOMPLETE)
{
status = SFO();
if(status == SFO_ERROR)
{
//
// SFO function returns 2 if an error occurs & # of MEP
// steps/coarse step exceeds maximum of 255.
//
error();
}
}
Step4：增加用戶代碼並配置對應的寄存器如CMPAHR
void main ()
{
int status;
// User code
// ePWM1, 2, 3, 4 are running in HRPWM mode
// The status variable returns 1 once a new MEP_ScaleFactor has been
// calculated by the MEP Calibration Module running SFO
// diagnostics.
status = SFO ();
for(;;)
{
if(test_ctr < 256)
{
HRPWM_setCounterCompareValue(ePWM[1], HRPWM_COUNTER_COMPARE_A, (0x2000 + test_ctr));
test_ctr++;
}
else
{
test_ctr = 0;
}
if(status == SFO_ERROR)
{
//
// SFO function returns 2 if an error occurs & # of
// MEP steps/coarse step exceeds maximum of 255.
//
error();
}
}
}
2)Bit-field按寄存器創建的工程
Step1：添加 "Include" Files: #include "sfo_v8.h"以及所對應的庫文件SFO_lib
Step2：聲明Variable Declarations:
Uint16 status = SFO_INCOMPLETE;
int MEP_ScaleFactor = 0; //scale factor value
volatile struct EPWM_REGS *ePWM[] = {0, &EPwm1Regs, &EPwm2Regs};
Step3：縮放因子初始化MEP_ScaleFactor Initialization:
同上。
Step4：增加用戶代碼並配置對應的寄存器如CMPAHR
同上。
1.5 測試工程與PWM波形
2. 高精度PWM的注意事項
2.1 高精度PWM的Dead Band半個TBCLK計數周期生效
如下Note提示, 死區的高精度模式控製僅在半個TBCLK計數周期生效, 如下計算公式可知, 若CPU主頻直接分頻給到EPWM時鍾，即TBCLK 為100MHz，也就是10ns, 此時DBREDHR和DBFEDHR寄存器僅在5ns計數周期生效, 這也是為了進一步保證高精度死區的生成。
2.2 高精度PWM的Dead Band高精度僅在雙邊計數Up-Down模式生效
如下Note提示, 死區的高精度模式控製僅在Up-Down計數模式下生效, 這主要是由於HRPWM的Duty占空比高精度模式控製限製所造成的。HRPWM在前三拍和後三拍是無效的，此時若想生成0%占空比可由普通PWM生成。硬件上不允許單邊計數模式下實現占空比的高精度模式控製。
2.3 Up-Down模式下高精度PWM的寄存器加載時刻僅Zero-Period生效
如下Note提示, 雙邊計數Up-Down模式下高精度控製影子寄存器加載僅在ZERO AND PERIOD生效, HRPWM模塊在過周期處用於內部特殊邏輯計算而不進行加載。單邊計數Up模式無此限製要求。此外單邊Down模式下是不支持高精度HRPWM操作。
3.結論
高精度模式的控製實現與普通PWM配置有差異，總結來說有以下幾點：1.CMPAHR負責Channel A上的高精度控製, CMPBHR負責Channel B上的高精度控製;2. HRPWM寄存器的生效時刻需要注意；3. 死區和占空比高精度實現的模式會對計數方式有要求；4. 單獨某一個Channel A上實現高精度會造成另外Channel B上的影響，不過僅±1 TBCLK；5. HRPWM高精度模式控製最高分辨率150ps, 可實現占空比Duty、死區DBREDHR和DBFEDHR、相移TBPHSHR和周期值TBPRDHR的高精度模式控製。以上不限於為高精度模式的使用與注意事項。
參考文獻
[1] TMS320x280x, 2801x, 2804x High Resolution Pulse Width Modulator HRPWM
[2] High Resolution PWM (HRPWM) Extension to ePWM Reference Guide
[3] TMS320F280013x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual. -spruix1
[4] TMS320F28003x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual. - spruiw9a
[5] TMS320F28004x Real-Time Microcontrollers Technical Reference Manual. -SPRUI33D
來源：TI
作者：Ke, Shaoxing
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