基于DSP生成SVPWM在逆變電源中的應用研究

1 SVPWM原理
空間矢量脈寬調制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)實(shí)際上是對于三相電壓源逆變器功率器件的一種特殊的開(kāi)關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合，這種開(kāi)關(guān)觸發(fā)順序和組合將在電機定子線(xiàn)圈中產(chǎn)生三相互差120的波形失真較小的正弦波電流。實(shí)踐和理論都可以證明，與直接的正弦脈寬調制(sPwM)技術(shù)相比，svPwM在輸出電壓或電機線(xiàn)圈的電流都將產(chǎn)生更少的諧波，提高了對電壓源逆變器直流供電電源的利用率。

電壓源逆變器可由圖1所示的6個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)等效表示。逆變器橋臂的上下開(kāi)關(guān)在任一時(shí)刻不能同時(shí)導通。不考慮死區時(shí)，上下橋臂的開(kāi)關(guān)呈互補狀態(tài)，因此逆變器有8種不同的開(kāi)關(guān)模式。

如圖1所示，當上橋臂開(kāi)通、下橋臂關(guān)斷時(shí)，即Sa=1時(shí)，U=udc／2；當上橋臂關(guān)斷、下橋臂開(kāi)通時(shí)，即Sa=O時(shí)，U=一Udc／2o、Sc亦同。

逆變器的8種開(kāi)關(guān)模式對應有8個(gè)電壓空間矢量。采用3／2坐標變換，將三相電壓變換到d―q軸系。

代入不同的開(kāi)關(guān)模式(Sa、Sb、Sc)，通過(guò)上述的3／2坐標變換，可得圖2所示的電壓空間矢量。

圖2中共有8個(gè)矢量，其中V(O O O)和V(1 1 1)為零矢量，幅值為O；其余6個(gè)矢量為有效矢量，幅值為相鄰有效矢量的夾角為60。

通過(guò)不同的矢量組合可以合成新矢量，如圖2所示，設相鄰兩個(gè)有效矢量V1和Vm，零矢量為Vo，合成新矢量Vout，矢量作用時(shí)間分別是T1、Tm、To。Tpwm是PWM脈寬周期。

合成新矢量的表達式為

2 基于DSP生成SVPWM波
2．1 DSP芯片TMS320LF2407A
根據任務(wù)要求及特點(diǎn)，選取了TMS320LF2407ADSP處理器。TMS320LF2407A是TI公司專(zhuān)為工業(yè)控制和電機控制推出的系列產(chǎn)品。這款DSP將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設功能集于一身。有如下特性：靈活的指令系統；高速的運算能力；大容量的存儲能力；有效的性能價(jià)格比。主要應用領(lǐng)域包括：工業(yè)電機驅動(dòng)；逆變電源；功率轉換器和控制器；汽車(chē)系統；儀表和壓縮機電機控制；機器人和計算機數字控制機械。

TMS320LF2407A具有2個(gè)事件管理器；32位中央算術(shù)邏輯單元；32位累加器；16位16位乘法器；3個(gè)比例移位器；間接尋址用的8個(gè)16位輔助寄存器和輔助算術(shù)單元；4級流水線(xiàn)操作；8級硬件操作；6個(gè)可屏蔽中斷；544字的片內DARAM和2K字的片內SARAM；32K字片內FLASH程序存儲器；64K程序存儲空間；35.5K數據存儲空間；I／0空間64K。此外還有功能強大的外設：串行通信接口SCI；串行外圍接口 SPI；CAN總線(xiàn)控制器；事件管理器EV；A／D轉換器；看門(mén)狗WD。

TMS320LF2407A芯片是通過(guò)3條總線(xiàn)實(shí)施指令讀取、澤碼、取操作數、執行指令等操作。

2．2 生成SVPWM波的方法
TMS320LF2407A中有兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，它們都有一特殊硬件――SVPWM狀態(tài)機器件。因此2407A具有兩個(gè)SVPWM狀態(tài)機。

本系統采用EVA，利用2407A內部自帶的SVPWM狀態(tài)機牛成波形。以有效矢量V(100)和V(110)為例。方案為V(1OO)-V(11O)一
V(111)-V(11O)一V(1OO)，如圖3所示。

此時(shí)功率器件所需開(kāi)關(guān)頻率即常規SPWM調制中的載波頻率。在EVA中填入To、T1／2和Tm／2，即可生成圖3所示的方案。

只要給定輸出頻率、輸出線(xiàn)電壓、直流母線(xiàn)電壓后，就可以生成SVPWM，步驟如下。
1)連續不斷地合成新的矢量，就能令電機產(chǎn)生圓形的磁場(chǎng)。新矢量的角度遞增關(guān)系為

式中：角頻率ω=2π／f，f是輸出頻率。
2)根據角度a落在6個(gè)不同區間，選擇不同的有效矢量V1和Vmo
3)有效矢量V1和Vm作用的先后次序，決定磁場(chǎng)的旋轉方向，最終決定電機是正轉或反轉。
4)根據SVPWM生成方案，交由SVPWM狀態(tài)機計算，得到計算結果。

3 系統軟、硬件設計
3．1 硬件結構
通過(guò)比較各種功率變換電路，例如方波逆變器、階梯波合成逆變器、正弦脈寬調制逆變器等的優(yōu)缺點(diǎn)，確定仍沿用產(chǎn)品初樣階段使用的全橋逆變式結構方案，重點(diǎn)在改進(jìn)控制方式上，即在控制方式上采用全數字的控制方式，采用空間矢量正弦波脈寬調制(SVPWM)式的控制方式。系統結構原理圖如圖4所示。

本系統電路為三相逆變電路，主電路是典型的AC―DC―AC逆變電路，將輸入的三相交流電(頻率是400Hz，電壓208V)經(jīng)整流、濾波后供給逆變器輸出三相交流電，頻率是50 Hz，再經(jīng)隔離變壓器變成380V的交流電。隔離變壓器另一路輸出經(jīng)過(guò)A／D變換反饋到2407A芯片，2407A芯片輸出信號給驅動(dòng)電路，控制逆變器輸出參數。

逆變電源控制核心電路是2407A芯片電路，主要完成以下幾個(gè)方面的工作。
1)接受控制命令，啟動(dòng)、停止逆變電源；
2)輸出SVPWM波控制信號到驅動(dòng)電路，同時(shí)監測逆變電源輸出電壓，并通過(guò)反饋電路實(shí)現電源的閉環(huán)控制；
3)隨時(shí)監控逆變電源運行狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，關(guān)閉控制輸出，同時(shí)完成故障參數的存儲、保護。

3.2 軟件實(shí)現
由于采用TMS320LF2407A，使編程的工作量大為減少。采用匯編語(yǔ)言編程，指揮整個(gè)系統的工作，通過(guò)系統初始化子程序對各參數、寄存器等進(jìn)行設定，實(shí)施對主電路的控制，逆變輸出50Hz的三相交流電。編程采用順序結構，調用子程序簡(jiǎn)單方便，子程序可以把電壓、電流、頻率的數值通過(guò)LED分別顯示出來(lái)。在整個(gè)工作過(guò)程中，隨時(shí)對電流、電壓進(jìn)行測量比較，一旦出現過(guò)流、欠電壓情況及時(shí)報警，情況嚴重時(shí)自動(dòng)停機，并且存儲故障參數。主程序流程框圖如圖5所示。

4 結果驗證
根據生成SVPWM的基本公式式(6)～式(7)，只要給定輸出頻率、輸出線(xiàn)電壓、直流母線(xiàn)電壓，經(jīng)過(guò)SVPWM子程序和TMS320LF24007A SVPWM狀態(tài)機，生成PWM脈沖控制(圖1所示的)三相逆變橋，將會(huì )在逆變橋的輸出端得到三相對稱(chēng)的正弦電壓波形(濾波后)。

圖6為不考慮死區生成的SVPWM，對PWM管腳濾除載波后的管腳波形。圖6中，1和2是Ua和Ub的波形，對應于逆變橋的相電壓；中間為Uab的波形，對應于逆變橋輸出的線(xiàn)電壓?？梢钥闯鲇?／3周期，A相要么處于最高，要么處于最低，因此大大降低了開(kāi)關(guān)頻率。

5 結語(yǔ)
本文研究的基于DSP TMS320LE2407A實(shí)現SVPWM波的方法已經(jīng)在具體工程中得到驗證，并取得了良好的控制效果。經(jīng)過(guò)上述分析和實(shí)驗，結果表明：
1)通過(guò)合理安排零矢量作用時(shí)間，可以有效改善PWM諧波特征，使諧波減小，并且電壓利用率高；
2)可以非常方便地實(shí)現SVPWM算法，是目前逆變電源控制中比較理想的選擇；
3)采用電壓空間矢量PWM作為信號源，電流諧波少，轉矩脈動(dòng)小，噪音低，不但控制電路簡(jiǎn)化，而且系統的可靠性也得到了很大的提高。