新聞中心

EEPW首頁(yè) > 汽車電子 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于DSP的SPWM直接面積等效算法的分析與實(shí)現(xiàn)

基于DSP的SPWM直接面積等效算法的分析與實(shí)現(xiàn)

——
作者:劉小河 臧健 時(shí)間:2007-07-10 來(lái)源:現(xiàn)代電子技術(shù) 收藏
變頻技術(shù)作為現(xiàn)代電力電子的核心技術(shù),集現(xiàn)代電子、信息和智能技術(shù)于一體。針對(duì)工頻(我國(guó)為50 Hz)并非是所有用電設(shè)備的最佳工作頻率,因而導(dǎo)致許多設(shè)備長(zhǎng)期處于低效率、低功率因數(shù)運(yùn)行的現(xiàn)狀,變頻控制提供了一種成熟、應(yīng)用面廣的高效節(jié)能新技術(shù)。

  而(正弦波脈寬調(diào)制)波的產(chǎn)生和控制則是變頻技術(shù)的核心之一。開始的生成技術(shù)是采用模擬電路構(gòu)成三角波和正弦波發(fā)生電路,用比較器來(lái)確定他們的交點(diǎn)。這種方法電路復(fù)雜,精度較差,早已淘汰。后來(lái)人們采用和微機(jī)生成波,但受硬件計(jì)算速度和算法計(jì)算量的影響,往往無(wú)法兼顧計(jì)算的精度和速度。再后來(lái)隨著具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的和一些新算法的出現(xiàn),這一問(wèn)題得到了較好地解決。

  1 算法的原理

  一般SPWM波形的產(chǎn)生有以下幾種方法:自然采樣法、規(guī)則采樣法、低次諧波消去法直接面積等效法等。其中自然采樣法的精度很高,但他求解導(dǎo)通關(guān)斷點(diǎn)需要解一個(gè)超越方程,計(jì)算量很大,一般不被采用。低次諧波消去法計(jì)算復(fù)雜,只能用查表法,而且這種方法的波形頻率和幅值是不可以連續(xù)變化的。因此將主要分析規(guī)則采樣法,直接面積等效法這兩種方法的原理。

  規(guī)則

 
采樣法是從自然采樣法演變而來(lái)的,他由經(jīng)過(guò)采樣的正弦波(實(shí)際上是階梯波)與三角波相交,由交點(diǎn)得出脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點(diǎn)或底點(diǎn)位置對(duì)正弦波采樣而形成階梯波。其原理如圖1(a)所示。

  其中:公式

  Tz: 三角載波周期

  M: 調(diào)制深度(正弦波與三角波幅值比)

  t:某采樣時(shí)刻

  直接面積等效法的基本原理如圖1(b)所示。

  在圖中的正弦半波波形中取一小區(qū)間[t,t+Δt],其面積為S1,則與其面積相等的矩形脈沖面積為S2,寬度為δi。設(shè)正弦波幅值為Usin,調(diào)制度為M,矩形脈沖幅值為Us。有

公式

  式中k代表第k次采樣,N代表半周期內(nèi)對(duì)正弦波的采樣點(diǎn)。則IGBT的開關(guān)時(shí)間可如下計(jì)算:

公式

規(guī)則采樣法原理圖

直接面積等效法原理圖

  2 算法的分析及其在上的實(shí)現(xiàn)

  (1)算法的分析

  在生成SPWM波形時(shí),通常有查表和實(shí)時(shí)計(jì)算兩種方法,實(shí)際使用時(shí)往往是兩種方法的結(jié)合,即先離線進(jìn)行必要的計(jì)算存入內(nèi)存,運(yùn)行時(shí)再進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的在線計(jì)算,這樣既可保證快速性,又不會(huì)占用大量的內(nèi)存。

  規(guī)則采樣法通常事先存入正弦函數(shù)表和不同載波頻率時(shí)的Tz/2,運(yùn)行時(shí)根據(jù)要求的Tz,M和ω即可算出開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間(詳見公式1)。這種方法的計(jì)算量很小且波形的幅值和頻率都是可以連續(xù)變化的。

  直接面積等效法通常事先存入不同頻率下的余弦函數(shù)表,運(yùn)行時(shí)也只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的乘法和減法運(yùn)算(詳見公式2)。這種方法的計(jì)算量適中且波形的幅值和頻率也是連續(xù)變化的。

  由規(guī)則采樣法的原理可知他是用一近似的階梯波來(lái)代替正弦波與三角波進(jìn)行比較,因此他的精度較低,但由于計(jì)算簡(jiǎn)單,在使用和微機(jī)生成SPWM波的時(shí)代得到了較為廣泛的應(yīng)用。但隨著具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的的出現(xiàn),使得兼顧計(jì)算的精度和速度這一問(wèn)題有了解決的希望。因此采用具有較高精度且計(jì)算量適中的直接面積等效法和DSP相結(jié)合來(lái)解決這一問(wèn)題。

  (2)DSP的特點(diǎn)

  DSP的廠家很多,國(guó)內(nèi)應(yīng)用主要以TI公司的居多。這里采用TI公司的TMS320系列。TI公司的TMS320C2000 DSP是基于320C2xLP核。為了實(shí)現(xiàn)小數(shù)的算術(shù)運(yùn)算和驗(yàn)證小數(shù)的乘積,C2xLP的乘積寄存器的輸出通過(guò)乘積移位器,以抑制運(yùn)算中產(chǎn)生的多出來(lái)的Bit。該乘積定標(biāo)移位器允許作128個(gè)乘積累加而不會(huì)產(chǎn)生溢出?;镜某朔e累加(MAC)周期,包括將一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的值乘以一個(gè)程序存儲(chǔ)器的值,并將結(jié)果加給累加器。當(dāng)C2000循環(huán)執(zhí)行MAC,則程序計(jì)數(shù)器自動(dòng)增量,并將程序總線釋放給第二個(gè)操作數(shù),從而達(dá)到單周期執(zhí)行MAC。

  C2000系列中的C24x系列的芯片具有事件管理器。該事件管理器具有3個(gè)加/減定時(shí)器和9個(gè)比較器,可以和波形產(chǎn)生邏輯配合產(chǎn)生12 PWM的輸出。支持同步的和異步的PWM產(chǎn)生。他還支持一個(gè)空間向量PWM狀態(tài)機(jī),用開關(guān)功率晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn),以延長(zhǎng)晶體管的壽命和降低功耗。一個(gè)關(guān)機(jī)段產(chǎn)生單元也有助于保護(hù)功率晶體管。其原理如圖2所示。

時(shí)間管理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

  可以看到,為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的變壓與變頻,需要根據(jù)當(dāng)前載波所在時(shí)間T做大量的運(yùn)算,而這些運(yùn)算都要求在一個(gè)載波周期內(nèi)完成。以載波頻率為15625Hz為例,其周期為64μs,若要求三相輸出,則所有這些運(yùn)算都要求在32μs內(nèi)完成。這對(duì)于而言,是完全不可能的。而對(duì)于DSP而言,其指令周期為50ns,且多為單周期指令,并且有單周期的乘法指令。因此,充分利用了DSP的強(qiáng)大運(yùn)算能力,才最終實(shí)現(xiàn)了上述計(jì)算的實(shí)時(shí)完成。


 

  (3)直接面積等效法的實(shí)現(xiàn)

  根據(jù)直接面積等效法的公式,在Flash中存入1個(gè)cosX/2π的表,這樣就可以盡可能簡(jiǎn)化不必要的運(yùn)算。在實(shí)際計(jì)算時(shí)只需計(jì)算1次減法、1次乘法、1次除法即可。

       程序流程圖見圖3。

程序流程圖

  3 變頻系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)

  根據(jù)上述設(shè)計(jì),使用IPM(智能功率模塊)及相應(yīng)的整流,濾波電路搭建了一變頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。出于擴(kuò)展的要求,使用單片機(jī)擴(kuò)展了其的輸入輸出接口,使其具有更好的通用性。其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

硬件結(jié)構(gòu)圖

  如圖4所示,基于DSP的SPWM控制系統(tǒng)中,包括三大模塊:IPM智能功率模塊、DSP處理器和單片機(jī)。DSP處理器用于實(shí)時(shí)產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào),用以控制IPM產(chǎn)生輸出信號(hào)。單片機(jī)系統(tǒng)用于接受外部控制信號(hào),負(fù)載端電壓、電流的采樣信號(hào),各種電路保護(hù)信號(hào)等輸入信號(hào),一方面進(jìn)行工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示,另一方面對(duì)實(shí)時(shí)采樣的電壓電流信號(hào)進(jìn)行處理后,向DSP系統(tǒng)送去相應(yīng)信號(hào),使DSP在線調(diào)整SPWM信號(hào),滿足閉環(huán)工作的技術(shù)指標(biāo)要求。這樣的系統(tǒng)構(gòu)成模式使系統(tǒng)功能模塊化,可最大限度地發(fā)揮DSP的計(jì)算能力,調(diào)試方便,便于系統(tǒng)的功能擴(kuò)充,為以后系統(tǒng)的升級(jí)換代提供了較為方便的條件。

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了輸出頻率可在1~1000Hz內(nèi)變化的SPWM波形的生成。其主要波形如圖5所示。

50Hz電壓波形

100Hz電壓波形

  4 結(jié)論

  研究表明,以DSP為核心基于直接面積等效法生成SPWM波的變頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是成功的。其較寬的變頻范圍和擴(kuò)展的輸入輸出接口使其在變頻電源、變頻器等多方面都能得到廣泛的應(yīng)用。

 

  參考文獻(xiàn)

 ?。?]黃俊,王兆安.電力電子變流技術(shù)(第3版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995

 ?。?]章云,謝莉萍,熊紅艷.DSP控制器及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001

 ?。?]鐘福金,錢昱明.直接采用面積等效法生成SPWM波的變頻調(diào)速系統(tǒng)[J].電氣傳動(dòng),1995.4

 ?。?]邱建琪,林瑞光,孫依軍.基于DSP的SPWM混合查表實(shí)時(shí)計(jì)算法[J].微特電機(jī),2001,1(26)

  [5]TI公司.TMS320F/C24X DSP Controllers CPU and Instruction Set ReferenceGuide[S].Texas Instruments,1999

linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)


評(píng)論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉