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(jiǎn)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(guó)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(chǎng)，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。基于這一原則，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(guó)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）。
　　（2）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。
　　（3）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)。
　　（5）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(jiǎn)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。
　　（2）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。
　　（3）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)：

［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，F(xiàn)igoli，David．AC Induction Motor ControlUsing ConstantV／HzPrinciple and Space- Vector PWM Technique With TMS320C240〔J〕．1998.