由DSP芯片生成電壓空間矢量脈寬調制波

1　引　言
　　
　　在電氣傳動(dòng)中，廣泛應用脈寬調制（PWM－Pulse Width Modulation）控制技術(shù)。隨著(zhù)電氣傳動(dòng)系統對其控制性能的要求不斷提高，人們對PWM控制技術(shù)展開(kāi)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的諧波損耗，降低脈動(dòng)轉矩，由于其控制簡(jiǎn)單，數字化實(shí)現方便，目前已有替代傳統SPWM（SinusoidalPWM）的趨勢。微機技術(shù)的不斷發(fā)展使得數字化PWM有了實(shí)現的可能和廣闊的應用前景。本文采用美國德州儀器（TI）公司專(zhuān)為電機控制而推出的數字信號處理器（DPS）TMS320C24x系列中的TMS320F240實(shí)現SVPWM變頻調速^〔1，2〕。本文介紹由TMS320F240實(shí)現SVPWM的兩種方法。一種用TMS320F240的常規比較功能實(shí)現。稱(chēng)為SWSVPWM（軟件SVPWM）；另一種用TMS320F240固有的生成SVPWM的硬件電路實(shí)現，稱(chēng)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(chēng)磁通正弦PWM）是從電動(dòng)機的角度出發(fā)，著(zhù)眼于使電機獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，即正弦磁通。它以三相對稱(chēng)正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機的理想圓形磁通軌跡為基準，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準磁通圓，從而達到較高的控制性能。三相電壓源型逆變橋的上橋臂和下橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補，故可用3個(gè)上橋臂的功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)描述逆變器的工作狀態(tài)，記功率器件開(kāi)通狀態(tài)為“1”，關(guān)斷狀態(tài)為“0”，則上橋臂的開(kāi)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，再應用電機統一理論和abc－dq坐標轉換：

　　可以將abc坐標的8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量轉換為dq坐標的8種電壓矢量，分別記為U₀，U₆₀，U₁₂₀，U₁₈₀，U₂₄₀，U₃₀₀，U₀₀₀，U₁₁₁，稱(chēng)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)的目標就是要通過(guò)控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合，將空間電壓矢量U_out控制為按設定的參數作圓形旋轉。在某個(gè)時(shí)刻，U_out旋轉在某個(gè)區域中，可由組成這個(gè)區域的兩個(gè)非零矢量U_x和分別按對應的作用時(shí)間T₁、T₂組合得到所要求的U_out輸出。從一個(gè)空間電壓矢量旋轉到另一個(gè)矢量的過(guò)程中，應當遵循功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化最小的原則，即應當只有一個(gè)功率器件的開(kāi)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方向，先作用的U_x被稱(chēng)為主矢量，后作用的被稱(chēng)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T(mén)₀，T₁＋T₂＋T₀＝T_P。零矢量對U_out的大小無(wú)影響，僅對設定的頻率起到補償作用。在很高的開(kāi)關(guān)頻率下，每個(gè)轉換周期中U_out可以看成是常數，由上式可寫(xiě)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線(xiàn)電壓的有效值，其頻率也是三相電機的頻率，控制U_out的大小、旋轉速度和方向就能實(shí)現變頻調速。圖1所示由基本電壓空間矢量組成的六邊形的內切圓是U_out所能達到最大軌跡，所以U_out的最大值為相應的電機的線(xiàn)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(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)用于電機控制的DSP芯片，除了DSP所固有的高速計算特性（50ns的指令周期）、硬件乘法器以外，還內部集成了三相PWM波形發(fā)生器，兩者的結合，使我們完全能通過(guò)實(shí)時(shí)計算來(lái)產(chǎn)生任意頻率的SVPWM波。
　　
　　TMS320C24x系列產(chǎn)品為電機控制設計了專(zhuān)門(mén)的PWM生成電路，如圖2所示。
　　
　　從片內生成PWM的硬件結構圖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輸出是常規比較控制PWM方式（SWSVPWM），還是硬件SVPWM方式（HWSVPWM）。
　?。?）ACTR［12－15］中是當前矢量，根據U_out的位置寫(xiě)入相應的值，采用HWSVPWM時(shí)使用。
　?。?）T1CON［11－13］控制生成對稱(chēng)或不對稱(chēng)的PWM波形，死區時(shí)間設置DBTCON，在時(shí)鐘為50ns時(shí)，設置的死區時(shí)間范圍是0～102．4μs。
　?。?）COMCON控制PWM輸出或高阻態(tài)輸出，可用于系統出現故障時(shí)及時(shí)保護。
　?。?）CMPRx（x＝1，2，3）3個(gè)比較寄存器分別對應何時(shí)開(kāi)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(guò)程是，當定時(shí)器的計數器累加到等于CMPRx＝1，2，3）的值時(shí)，就會(huì )改變空間矢量對應的控制信號輸出。例如在CMPR1中寫(xiě)入0．25T₀，CMPR2中寫(xiě)入0．25T₀＋0．5T₁，CMPR3中寫(xiě)入0．25T₀＋0．5T₁＋0．5T₂，定時(shí)器的計數器值一一與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。在主程序中根據控制策略計算出需要的頻率，等待中斷的產(chǎn)生。在定時(shí)器中斷子程序中，根據此時(shí)的f和U_out的當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，并計算出它們分別作出的時(shí)間T₁、T₂，得到發(fā)生區配的時(shí)間值，寫(xiě)入到CMPRx中。如圖3所示，Ⅰ區主矢量是U₀，輔矢量是U_±60，Ⅱ區主矢量是U₁₂₀，輔矢量是U₆₀，其它區域類(lèi)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(kāi)始，就根據ACTR［14－12］中定義的矢量設置PWM輸出；在向上記數過(guò)程中，在0．5T₁時(shí)刻發(fā)生第一次比較匹配（計數器中值與CMPR1中值相等），根據ACTR［15］（0表示逆時(shí)針旋轉，1表示順時(shí)針旋轉）定義的旋轉方向，將PWM輸出轉換成輔矢量，在0．5T₁＋0．5T₂時(shí)刻，發(fā)生第二次比較匹配時(shí)（計數器中值與CMPR2中值相等），將PWM輸出轉換成兩種零矢量中的一種；在向下記數過(guò)程中，與前半周對稱(chēng)輸出。圖4所示是Ⅰ區和Ⅱ區的SVPWM波形圖，其它區域類(lèi)推。

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

4　實(shí)驗分析
　　
　　利用TMS320F240芯片，加上必要的外圍電路，構成最小DSP系統。智能功率模塊采用了西門(mén)子的P221，最高開(kāi)關(guān)頻率可高達20kHz，死區時(shí)間只有2μs，再加上進(jìn)線(xiàn)濾波、整流電路，就可以做成一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的變頻調速系統。實(shí)驗電機1臺為750W三相鼠籠電動(dòng)機，1臺100W三相繞線(xiàn)式電動(dòng)機，負載為1臺180W并勵式直流發(fā)電機帶滑線(xiàn)式變阻器。實(shí)驗采用SWSVPWM方法，并與普通SPWM方法做了比較。
　　
　　實(shí)驗結果如圖5、6、7所示，從實(shí)驗觀(guān)察到的輸出電壓波形，電流波形正弦性好；通過(guò)FFT變換，發(fā)現SVPWM的諧波消除效果明顯，尤其6k±1次諧波在0～1．22kHz范圍內基本上都被消除，其諧波幅值均比基波幅值小30dB以上。

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

參考文獻：

［1］　TMS320C24X DSP Controllers－peripheral Library and Specific Devices〔J〕．1997，2．
［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，Figoli，David．AC Induction Motor ControlUsing ConstantV／HzPrinciple and Space- Vector PWM Technique With TMS320C240〔J〕．1998.