用SPMC75實(shí)現SVPWM合成

　　摘  要：本文主要介紹利用SPMC75單片機產(chǎn)生SVPWM的方法。

　　關(guān)鍵詞：SPMC75、SVPWM、SPWM

1.1   前言

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻驅動(dòng)技術(shù)憑借其優(yōu)異的性能，在當今交流調速領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣。

　　變頻驅動(dòng)主要使用的驅動(dòng)波形主要有SPWM和SVPWM兩種。SPWM原理簡(jiǎn)單、實(shí)現容易，是現在使用最廣的一種變頻驅動(dòng)波形。但其有一個(gè)致命的弱點(diǎn)是其電源利用率不高（只有86%）、諧波成分大。因此，在新近開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品中其應用逐漸被性能優(yōu)異的SVPWM所取代。

　　SVPWM是一種電壓利用率、低諧波成分的變頻驅動(dòng)波形，還有開(kāi)關(guān)次數少、功率管功耗小等特點(diǎn)。同時(shí)，SVPWM還能很好的結合矢量控制算法、以最大限度的發(fā)揮設備的性能。因此被越來(lái)越多的變頻設備所采用。

1.2   芯片簡(jiǎn)介

　　SPMC75系列MCU是凌陽(yáng)科技公司設計開(kāi)發(fā)的高性能16位通用MCU，具有很強的抗干擾能力、豐富易用的資源以及優(yōu)良的結構，特別是增強的定時(shí)計數器和PWM輸出功能。

　　SPMC75系列MCU使用凌陽(yáng)u'nSP內核，u'nSP內核是一種高效的16位CISC內核。支持乘法、乘法累加、32/16位除法、FIR等高性能運算；支持兩種中斷模式?？梢苑奖愕漠a(chǎn)生SPWM波、空間電壓向量PWM（SVPWM）等各種電機驅動(dòng)波形。

　　除了擁有高性能的CPU外，SPMC75系列MCU還集成了多種功能模塊：多功能I/O口、同步和異步串行口、高性能ADC、普通的定時(shí)計數器、多功能的捕獲比較模塊、BLDC電機驅動(dòng)專(zhuān)用位置偵測接口、兩相增量編碼器接口、能產(chǎn)生各種電機驅動(dòng)波形的PWM發(fā)生器等。同時(shí)，SPMC75系列單片機內部集成了32K Words的Flash和2K Words的SRAM。

　　利用這些硬設支持，SPMC75系列單片機可以完成諸如家用電變頻驅動(dòng)、標準的工業(yè)變頻驅動(dòng)器、多環(huán)的伺服驅動(dòng)系統等復雜應用。

1.3   SVPWM合成原理

　　如圖 1-1所示的三相逆變橋中六個(gè)開(kāi)關(guān)管有8種允許的開(kāi)關(guān)組合，其中有6種有效的開(kāi)關(guān)組合，稱(chēng)為非零基本空間電壓矢量；有2種為無(wú)效開(kāi)關(guān)狀態(tài)，稱(chēng)為零空間電壓矢量。當逆變器單獨輸出六種基本電壓空間矢量時(shí)，電動(dòng)機的定子磁鏈矢量 的矢端的運動(dòng)軌跡是一個(gè)正六邊形，如圖 1-2所示。

圖 1-1 電壓空間矢量和三相電壓型逆變電路

圖 1-2 正六邊形磁鏈軌跡

　　顯然，按照這樣的供電方式只能形成正六邊形的旋轉磁場(chǎng)，而不是我們希望的圓形旋轉磁場(chǎng)。

　　怎樣獲得圓形旋轉磁場(chǎng)？一個(gè)思路是，如果在定子里形成的旋轉磁場(chǎng)不是正六邊形，而是正多邊形，我們就可以得到近似的圓形旋轉磁場(chǎng)。顯然，正多邊形的邊數越多，近似的程度就越多。但是非零的基本電壓空間矢量只有六個(gè)，如果相獲得盡可能多的多邊形旋轉磁場(chǎng)，就必須有更多的逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)。下面介紹這種線(xiàn)性時(shí)間組合方法。


圖 1-3 電壓空間矢量的線(xiàn)性組合

　　為了使磁鏈的運動(dòng)速度平滑，零矢量一般都不是集中地加入，而是將零矢量平均分成幾份，多點(diǎn)地插入到磁鏈軌跡中，但作用的時(shí)間和仍為t0，這樣可以減少電動(dòng)機轉矩的脈動(dòng)。

圖 1-4 Ｕout的最大軌跡圓
　　經(jīng)上述合成方法，最終將得到如圖 1-5所示的七段式電壓空間矢量PWM波形。

圖 1-5 七段式電壓空間矢量PWM波形

1.4   SVPWM在SPMC75上的實(shí)現

　　SPMC75系列MCU內部集成的MCP定時(shí)器可以方便的產(chǎn)生SVPWM，圖 1-6所示是用SPMC75實(shí)現SVPWM合成的結構框圖。系統包括PWM發(fā)生模塊、空間向量變換等幾部分。

　　圖中的PWM發(fā)生器使用SPMC75的MCP定時(shí)器實(shí)現，MCP定時(shí)器內部具有多組比較匹配硬件，系統軟件只需要將算出的三個(gè)SVPWM合成所需的定時(shí)時(shí)間值送入相應的比較匹配寄存器就可。MCP可以自動(dòng)輸出所需的三相六路的互補SVPWM；同時(shí)，MCP內部集成死區插入硬件和系統保護邏輯，以最大限度減小用戶(hù)開(kāi)發(fā)難度。

　　空間向量變換部分主要實(shí)現向量變換、扇區計算和矢量時(shí)間計算幾種功能，這部分使用軟件方式實(shí)現。其計算出的時(shí)間直接送到PWM發(fā)生器就可以輸出所需的PWM波形?？驁D中的其它部分也使用軟件實(shí)現。

　　SPMC75所使用的u'nSP內核內部集成有硬件乘法器，擁有專(zhuān)用的乘法累加操作指令。對整個(gè)SVPWM的合成提供了極大的幫助。在24MHz系統時(shí)鐘時(shí)，實(shí)現整個(gè)SVPWM合成算法只需要21us的運算時(shí)間。

圖 1-6 SVPWM合成框圖

1.5   結語(yǔ)

　　凌陽(yáng)科技公司新推出SPMC75是一系列功能強大的工業(yè)級MCU，具有極強的抗干擾能力。其內部集成有高性能的ADC、增強型的定時(shí)計數器等功能部件，強大的定時(shí)器和PWM生成功能使其在電機控制領(lǐng)域有非常杰出的表現。用SPMC75系列MCU可以方便的構成各種電機的高性能驅動(dòng)系統。