基于DSP生成SVPWM在逆變電源中的應用研究
關(guān)鍵詞:逆變器;數字信號處理器;數字化;空間矢量脈寬調制
O 引言
隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展,400Hz中頻逆變電源供電系統作為世界各國越來(lái)越廣泛應用于航空、航天、導彈、雷達、通信、飛機、車(chē)輛的標準供電系統,一般為高、精、尖的電子設備提供工作電源。目前大部分逆變電源都采用模擬電路控制或是部分數字電路控制,系統可維護性差,升級困難。本文結合具體工程任務(wù),主要致力于逆變電源的全數字控制技術(shù)的研究,在原有逆變電源的基礎上,采用DSP生成SVPWM波作為信號源來(lái)替代原電路信號源的技術(shù),以改善逆變電源的輸出性能及提高逆變電源的可靠性。
逆變電源采用數字控制,具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)數字控制(DSP)采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略,使得逆變電源的智能化程度更高,性能更加完美;
2)控制靈活,系統升級方便,甚至可以在線(xiàn)修改控制算法,而不必改動(dòng)硬件電路;
3)控制系統的可靠性提高,易于標準化;
4)系統維護方便。系統一旦出現故障,可以很方便地通過(guò)RS232接口或USB接口進(jìn)行調試、故障查詢(xún)、故障診斷、軟件修復,甚至控制參數的在線(xiàn)修改和調試;
5)系統的一致性較好,成本低,生產(chǎn)制造方便。
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。
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