基于DSP生成SVPWM在逆變電源中的應(yīng)用研究

1 SVPWM原理
空間矢量脈寬調(diào)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關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合，這種開關(guān)觸發(fā)順序和組合將在電機(jī)定子線圈中產(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(diào)制(sPwM)技術(shù)相比，svPwM在輸出電壓或電機(jī)線圈的電流都將產(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)開關(guān)來等效表示。逆變器橋臂的上下開關(guān)在任一時(shí)刻不能同時(shí)導(dǎo)通。不考慮死區(qū)時(shí)，上下橋臂的開關(guān)呈互補(bǔ)狀態(tài)，因此逆變器有8種不同的開關(guān)模式。

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

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

代入不同的開關(guān)模式(Sa、Sb、Sc)，通過上述的3／2坐標(biāo)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。

通過不同的矢量組合可以合成新矢量，如圖2所示，設(shè)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(dá)式為

2 基于DSP生成SVPWM波
2．1 DSP芯片TMS320LF2407A
根據(jù)任務(wù)要求及特點(diǎn)，選取了TMS320LF2407ADSP處理器。TMS320LF2407A是TI公司專為工業(yè)控制和電機(jī)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(shè)功能集于一身。有如下特性：靈活的指令系統(tǒng)；高速的運(yùn)算能力；大容量的存儲(chǔ)能力；有效的性能價(jià)格比。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；逆變電源；功率轉(zhuǎn)換器和控制器；汽車系統(tǒng)；儀表和壓縮機(jī)電機(jī)控制；機(jī)器人和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)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級流水線操作；8級硬件操作；6個(gè)可屏蔽中斷；544字的片內(nèi)DARAM和2K字的片內(nèi)SARAM；32K字片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器；64K程序存儲(chǔ)空間；35.5K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；I／0空間64K。此外還有功能強(qiáng)大的外設(shè)：串行通信接口SCI；串行外圍接口 SPI；CAN總線控制器；事件管理器EV；A／D轉(zhuǎn)換器；看門狗WD。

TMS320LF2407A芯片是通過3條總線實(shí)施指令讀取、澤碼、取操作數(shù)、執(zhí)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(jī)器件。因此2407A具有兩個(gè)SVPWM狀態(tài)機(jī)。

本系統(tǒng)采用EVA，利用2407A內(nèi)部自帶的SVPWM狀態(tài)機(jī)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)功率器件所需開關(guān)頻率即常規(guī)SPWM調(diào)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、輸出線電壓、直流母線電壓后，就可以生成SVPWM，步驟如下。
1)連續(xù)不斷地合成新的矢量，就能令電機(jī)產(chǎn)生圓形的磁場。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(jù)角度a落在6個(gè)不同區(qū)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，決定磁場的旋轉(zhuǎn)方向，最終決定電機(jī)是正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。
4)根據(jù)SVPWM生成方案，交由SVPWM狀態(tài)機(jī)計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果。

3 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)
3．1 硬件結(jié)構(gòu)
通過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(diào)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(jié)構(gòu)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(shù)字的控制方式，采用空間矢量正弦波脈寬調(diào)制(SVPWM)式的控制方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

本系統(tǒng)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A／D變換反饋到2407A芯片，2407A芯片輸出信號給驅(qū)動(dòng)電路，控制逆變器輸出參數(shù)。

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(qū)動(dòng)電路，同時(shí)監(jiān)測逆變電源輸出電壓，并通過反饋電路實(shí)現(xiàn)電源的閉環(huán)控制；
3)隨時(shí)監(jiān)控逆變電源運(yùn)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(shù)的存儲(chǔ)、保護(hù)。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)
由于采用TMS320LF2407A，使編程的工作量大為減少。采用匯編語言編程，指揮整個(gè)系統(tǒng)的工作，通過系統(tǒng)初始化子程序?qū)Ω鲄?shù)、寄存器等進(jìn)行設(shè)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(jié)構(gòu)，調(diào)用子程序簡單方便，子程序可以把電壓、電流、頻率的數(shù)值通過LED分別顯示出來。在整個(gè)工作過程中，隨時(shí)對電流、電壓進(jìn)行測量比較，一旦出現(xiàn)過流、欠電壓情況及時(shí)報(bào)警，情況嚴(yán)重時(shí)自動(dòng)停機(jī)，并且存儲(chǔ)故障參數(shù)。主程序流程框圖如圖5所示。

4 結(jié)果驗(yàn)證
根據(jù)生成SVPWM的基本公式式(6)～式(7)，只要給定輸出頻率、輸出線電壓、直流母線電壓，經(jīng)過SVPWM子程序和TMS320LF24007A SVPWM狀態(tài)機(jī)，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的正弦電壓波形(濾波后)。

圖6為不考慮死區(qū)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(yīng)于逆變橋的相電壓；中間為Uab的波形，對應(yīng)于逆變橋輸出的線電壓?？梢钥闯鲇?／3周期，A相要么處于最高，要么處于最低，因此大大降低了開關(guān)頻率。

5 結(jié)語
本文研究的基于DSP TMS320LE2407A實(shí)現(xiàn)SVPWM波的方法已經(jīng)在具體工程中得到驗(yàn)證，并取得了良好的控制效果。經(jīng)過上述分析和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：
1)通過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(xiàn)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(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪音低，不但控制電路簡化，而且系統(tǒng)的可靠性也得到了很大的提高。