由DSP芯片生成電壓空間矢量脈寬調(diào)制波

1　引　言
　　
　　在電氣傳動(dòng)中，廣泛應(yīng)用脈寬調(diào)制（PWM－Pulse Width Modulation）控制技術(shù)。隨著電氣傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)其控制性能的要求不斷提高，人們對(duì)PWM控制技術(shù)展開了深入研究：從最初追求電壓波形正弦，到電流波形正弦，再到磁通的正弦，PWM控制技術(shù)不斷創(chuàng)新和完善。本文所采用的電壓空間矢量（SVPWM－Space Vector PWM）就是一種優(yōu)化的PWM方法，能明顯減小逆變器輸出電流的諧波成分和電機(jī)的諧波損耗，降低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，由于其控制簡單，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便，目前已有替代傳統(tǒng)SPWM（SinusoidalPWM）的趨勢(shì)。微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展使得數(shù)字化PWM有了實(shí)現(xiàn)的可能和廣闊的應(yīng)用前景。本文采用美國德州儀器（TI）公司專為電機(jī)控制而推出的數(shù)字信號(hào)處理器（DPS）TMS320C24x系列中的TMS320F240實(shí)現(xiàn)SVPWM變頻調(diào)速^{〔1，2〕}。本文介紹由TMS320F240實(shí)現(xiàn)SVPWM的兩種方法。一種用TMS320F240的常規(guī)比較功能實(shí)現(xiàn)。稱為SWSVPWM（軟件SVPWM）；另一種用TMS320F240固有的生成SVPWM的硬件電路實(shí)現(xiàn)，稱為HWSVWM（硬件SVPWM）^〔3〕。

2　SVPWM的基本原理及特點(diǎn)
　　
　　電壓空間矢量法（SVPWM，稱磁通正弦PWM）是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，著眼于使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通。它以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，從而達(dá)到較高的控制性能。三相電壓源型逆變橋的上橋臂和下橋臂開關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)，故可用3個(gè)上橋臂的功率器件的開關(guān)狀態(tài)描述逆變器的工作狀態(tài)，記功率器件開通狀態(tài)為“1”，關(guān)斷狀態(tài)為“0”，則上橋臂的開關(guān)狀態(tài)有8種組合，可用矢量［a，b，c］^t表示，分別為［0 0 0］^t，［0 0 1］^t，…，［1 1 1］^t。

　　得到相電壓矢量后，再應(yīng)用電機(jī)統(tǒng)一理論和abc－dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：

　　可以將abc坐標(biāo)的8種開關(guān)狀態(tài)矢量轉(zhuǎn)換為dq坐標(biāo)的8種電壓矢量，分別記為U₀，U₆₀，U₁₂₀，U₁₈₀，U₂₄₀，U₃₀₀，U₀₀₀，U₁₁₁，稱為基本電壓空間矢量，其中U₀₀₀，U₁₁₁為零矢量，如圖1所示。

　　SVPWM控制技術(shù)的目標(biāo)就是要通過控制開關(guān)狀態(tài)組合，將空間電壓矢量U_out控制為按設(shè)定的參數(shù)作圓形旋轉(zhuǎn)。在某個(gè)時(shí)刻，U_out旋轉(zhuǎn)在某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)非零矢量U_x和分別按對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間T₁、T₂組合得到所要求的U_out輸出。從一個(gè)空間電壓矢量旋轉(zhuǎn)到另一個(gè)矢量的過程中，應(yīng)當(dāng)遵循功率器件的開關(guān)狀態(tài)變化最小的原則，即應(yīng)當(dāng)只有一個(gè)功率器件的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化?；谶@一原則，可以選定各基本空間電壓矢量之間的旋轉(zhuǎn)方向，先作用的U_x被稱為主矢量，后作用的被稱為輔矢量。于是U_out可以表示為

　　由于T₁、T₂之和小于T_P之和小于T_P（載波周期），需要用零矢量U_{0 0 0}或U_{1 1 1}插入，插入時(shí)間為T₀，T₁＋T₂＋T₀＝T_P。零矢量對(duì)U_out的大小無影響，僅對(duì)設(shè)定的頻率起到補(bǔ)償作用。在很高的開關(guān)頻率下，每個(gè)轉(zhuǎn)換周期中U_out可以看成是常數(shù)，由上式可寫成：

用該式可以在dq平面中，分別求出T₁，T₂。
　　電壓空間矢量U_out的大小代表三相電機(jī)線電壓的有效值，其頻率也是三相電機(jī)的頻率，控制U_out的大小、旋轉(zhuǎn)速度和方向就能實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。圖1所示由基本電壓空間矢量組成的六邊形的內(nèi)切圓是U_out所能達(dá)到最大軌跡，所以U_out的最大值為相應(yīng)的電機(jī)的線電壓和相電壓為和V_dc／，這是普通SPWM最大值的倍，因此SVPWM的直流電壓利用率也是最高的^〔4〕。

3　基于TMS320F240生成SVPWM
　　
　　TMS320F24x是美國TI公司新開發(fā)的專門用于電機(jī)控制的DSP芯片，除了DSP所固有的高速計(jì)算特性（50ns的指令周期）、硬件乘法器以外，還內(nèi)部集成了三相PWM波形發(fā)生器，兩者的結(jié)合，使我們完全能通過實(shí)時(shí)計(jì)算來產(chǎn)生任意頻率的SVPWM波。
　　
　　TMS320C24x系列產(chǎn)品為電機(jī)控制設(shè)計(jì)了專門的PWM生成電路，如圖2所示。
　　
　　從片內(nèi)生成PWM的硬件結(jié)構(gòu)圖2中可以看到PWM生成由特定的寄存器分別控制：

　?。?）COMCON［12］控制PWM輸出是常規(guī)比較控制PWM方式（SWSVPWM），還是硬件SVPWM方式（HWSVPWM）。
　?。?）ACTR［12－15］中是當(dāng)前矢量，根據(jù)U_out的位置寫入相應(yīng)的值，采用HWSVPWM時(shí)使用。
　?。?）T1CON［11－13］控制生成對(duì)稱或不對(duì)稱的PWM波形，死區(qū)時(shí)間設(shè)置DBTCON，在時(shí)鐘為50ns時(shí)，設(shè)置的死區(qū)時(shí)間范圍是0～102．4μs。
　?。?）COMCON控制PWM輸出或高阻態(tài)輸出，可用于系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)保護(hù)。
　?。?）CMPRx（x＝1，2，3）3個(gè)比較寄存器分別對(duì)應(yīng)何時(shí)開通a、b、c三相，其值的大小由主、輔矢量和零矢量的作用時(shí)間決定，采用SWSVPWM時(shí)使用。

3．1　SWSVPWM生成方法

　　采用軟件生成SVPWM的過程是，當(dāng)定時(shí)器的計(jì)數(shù)器累加到等于CMPRx＝1，2，3）的值時(shí)，就會(huì)改變空間矢量對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)輸出。例如在CMPR1中寫入0．25T₀，CMPR2中寫入0．25T₀＋0．5T₁，CMPR3中寫入0．25T₀＋0．5T₁＋0．5T₂，定時(shí)器的計(jì)數(shù)器值一一與CMPRx相匹配，就會(huì)輸出圖3a所示的PWM波形。因此，生成SVPWM的程序——定時(shí)器中斷子程序要完成的任務(wù)已經(jīng)非常明確了。在主程序中根據(jù)控制策略計(jì)算出需要的頻率，等待中斷的產(chǎn)生。在定時(shí)器中斷子程序中，根據(jù)此時(shí)的f和U_out的當(dāng)前位置確定出下一個(gè)載波周期中U_out的位置，確定主矢量和輔矢量，并計(jì)算出它們分別作出的時(shí)間T₁、T₂，得到發(fā)生區(qū)配的時(shí)間值，寫入到CMPRx中。如圖3所示，Ⅰ區(qū)主矢量是U₀，輔矢量是U_±60，Ⅱ區(qū)主矢量是U₁₂₀，輔矢量是U₆₀，其它區(qū)域類推。

3．2　HWSVPWM生成方法
　　
　　在每一個(gè)PWM周期中，將完成動(dòng)作：周期一開始，就根據(jù)ACTR［14－12］中定義的矢量設(shè)置PWM輸出；在向上記數(shù)過程中，在0．5T₁時(shí)刻發(fā)生第一次比較匹配（計(jì)數(shù)器中值與CMPR1中值相等），根據(jù)ACTR［15］（0表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，1表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）定義的旋轉(zhuǎn)方向，將PWM輸出轉(zhuǎn)換成輔矢量，在0．5T₁＋0．5T₂時(shí)刻，發(fā)生第二次比較匹配時(shí)（計(jì)數(shù)器中值與CMPR2中值相等），將PWM輸出轉(zhuǎn)換成兩種零矢量中的一種；在向下記數(shù)過程中，與前半周對(duì)稱輸出。圖4所示是Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的SVPWM波形圖，其它區(qū)域類推。

3．3　SWSVPWM和HWSVPWM的比較
　　
　　通過分析可以看出，在每個(gè)PWM周期，SWSVPWM波形以零矢量U₀₀₀開始和結(jié)束，每個(gè)逆變橋臂狀態(tài)均改變，所以加入死區(qū)后三相電壓仍然平衡，并不影響逆變器線電壓；而HWSVPWM波形是以ACTR［14－12］中設(shè)置的矢量開始的，并以它結(jié)束，有一個(gè)橋臂狀態(tài)始終不改變，開關(guān)次數(shù)減少了，從而減少了開關(guān)損耗，死區(qū)只影響兩個(gè)橋臂，所以引起線電壓波形諧波分量，當(dāng)開關(guān)頻率較高（如20kHz）、死區(qū)時(shí)間較小時(shí)，諧波分量較小。另外HWSVPWM計(jì)算量少，占用CPU時(shí)間少。表1是HWSVPWM和SWSVPWM的比較。

4　實(shí)驗(yàn)分析
　　
　　利用TMS320F240芯片，加上必要的外圍電路，構(gòu)成最小DSP系統(tǒng)。智能功率模塊采用了西門子的P221，最高開關(guān)頻率可高達(dá)20kHz，死區(qū)時(shí)間只有2μs，再加上進(jìn)線濾波、整流電路，就可以做成一個(gè)簡單實(shí)用的變頻調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)電機(jī)1臺(tái)為750W三相鼠籠電動(dòng)機(jī)，1臺(tái)100W三相繞線式電動(dòng)機(jī)，負(fù)載為1臺(tái)180W并勵(lì)式直流發(fā)電機(jī)帶滑線式變阻器。實(shí)驗(yàn)采用SWSVPWM方法，并與普通SPWM方法做了比較。
　　
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、6、7所示，從實(shí)驗(yàn)觀察到的輸出電壓波形，電流波形正弦性好；通過FFT變換，發(fā)現(xiàn)SVPWM的諧波消除效果明顯，尤其6k±1次諧波在0～1．22kHz范圍內(nèi)基本上都被消除，其諧波幅值均比基波幅值小30dB以上。

5　結(jié)　論
　　
　　本文研究了用DSP芯片TMS320F240實(shí)現(xiàn)SVPWM的方法。經(jīng)過分析和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：
　?。?）SVPWM諧波優(yōu)化程度高，消除諧波效果比SPWM要好，實(shí)現(xiàn)容易，并且可能提高電壓利用率。
　?。?）SVPWM比較適合于數(shù)字化控制系統(tǒng)，以微控制器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)是發(fā)展趨勢(shì)，所以SVPWM應(yīng)是優(yōu)先的選擇。
　?。?）以TI公司的TMS320F240為核心，構(gòu)成全數(shù)字控制系統(tǒng)，可以以兩種方式產(chǎn)生SVPWM，在一般的中小功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中，采用該芯片實(shí)現(xiàn)SVPWM控制技術(shù)是非常適合的。

參考文獻(xiàn)：

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［2］　TMS320C24X DSP Controllers－CPU System，and Instruction Set〔J〕．1997，1．
［3］　Zhenyu Yu．Space－Vector PWM Technique WithTMS320C24x／F24x Using Hardware and Software Determined Switching Patterns〔J〕．1999．
［4］　Zhenyu Yu，F(xiàn)igoli，David．AC Induction Motor ControlUsing ConstantV／HzPrinciple and Space- Vector PWM Technique With TMS320C240〔J〕．1998.