基于TMS320F28335的SVPWM信號(hào)發(fā)生器

 摘要 電壓空間矢量脈寬調(diào)制能提高直流側(cè)電壓利用率，其應(yīng)用范圍已跨越變頻調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)入各個(gè)領(lǐng)域。文中在分析SVPWM原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合三相H橋逆變電路的特點(diǎn)，介紹了TMS320F28335的SVPWM信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了逆變橋一相斷路情況下的SVPWM波。通過硬軟件結(jié)合，在DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)觀察，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形。實(shí)驗(yàn)證明，基于DSP的SVPWM信號(hào)發(fā)生器具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便、易于數(shù)字化的特點(diǎn)，能更好地滿足功率器件對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同要求，便于實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。

電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(Space Vector PulseWidth Modulate，SVPWM)是矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。在電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的控制方法中，PWM的輸出是調(diào)速系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，因此對(duì)整體系統(tǒng)的性能起到關(guān)鍵作用。SVPWM是PWM波產(chǎn)生技術(shù)的一種，具有電壓利用率高、諧波成分低、控制功率管開關(guān)次數(shù)少、功耗小等特點(diǎn)，可以結(jié)合矢量算法，最大限度地發(fā)揮設(shè)備性能，因此被越來越多的變頻調(diào)速系統(tǒng)所采用。

現(xiàn)有容錯(cuò)控制系統(tǒng)，由于控制器PWM引腳數(shù)量和運(yùn)算能力限制，多采用電流滯環(huán)控制方法，而未能充分利用直流側(cè)電壓。TMS320F28335是32位浮點(diǎn)DSP控制器，是目前先進(jìn)的控制器之一，運(yùn)算能力強(qiáng)，可應(yīng)用于電機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，具有18路PWM輸出，為容錯(cuò)控制系統(tǒng)提供足夠的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因而，文中介紹了基于TMS320F28335的SVPWM信號(hào)發(fā)生器的基本原理和方法實(shí)現(xiàn)，并對(duì)逆變橋故障時(shí)的電壓空間矢量進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了三相H橋逆變電路正常狀態(tài)下和一相故障時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于容錯(cuò)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中。

1 三相SVPWM基本原理

電壓空間矢量PWM控制把逆變器和交流電機(jī)視為一體，以三相對(duì)稱正弦波電源供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，通過交替使用不同的電壓空間矢量來控制實(shí)際磁鏈軌跡，以追蹤基準(zhǔn)磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定變頻器的開關(guān)模式，形成PWM波。三相H橋逆變電路如圖1所示，同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，每相的H橋具有3種開關(guān)狀態(tài)，用“1”表示T1和T4導(dǎo)通;“0”表示T2和T4導(dǎo)通，“-1”表示T2和T3導(dǎo)通，定義開關(guān)狀態(tài)S=(Sa，Sb，Sc)，則共組成27種開關(guān)矢量，-1-1-1～111。

為達(dá)到良好的控制效果，選擇長(zhǎng)度應(yīng)該為最長(zhǎng)且相等的電壓空間矢量作為基本矢量。最終正常狀態(tài)下選用U1～U6、U25、U26作為基本矢量，如圖2所示。以A相斷相故障為例分析，由于A相開路，此時(shí)只能選擇第一位是0的電壓空間矢量，因而故障狀態(tài)下選用U14、U16、U17、U19、U21、U24、U0作為電機(jī)故障狀態(tài)時(shí)基本矢量，同B、C相斷相時(shí)分析方法選擇基本電壓空間矢量。

如圖3所示，在一個(gè)控制周期Ts內(nèi)，按空間矢量的平行四邊形合成法則，選擇與期望輸出電壓矢量最接近的2個(gè)電壓矢量，控制其作用時(shí)間，使得各開關(guān)矢量在平均伏秒意義上與參考電壓矢量的控制效果等效，可得式(1)

其中，T1、T2為相鄰兩電壓矢量作用時(shí)間;T0表示零矢量作用時(shí)間。

設(shè)uα、uβ表示參考電壓矢量Uout在α、β軸上的分量.可以令

定義變量A、B、C，若Ua>0，A=1，否則A=0;若Ub>0，B=1，否則B=0;若Uc>0，C=1，否則C=0。根據(jù)3個(gè)A、B、C的值計(jì)算扇區(qū)N的值：N=A+2B+4C，由式計(jì)算的N值對(duì)應(yīng)如圖2所示。

2 仿真研究

利用Matlab/simulink工具對(duì)所述方法仿真，為驗(yàn)證其正確性和可行性，采用id=0的磁場(chǎng)定向方式，利用三相H橋控制電機(jī)。仿真時(shí)間為0.2 s，在t=0.1 s時(shí)A相斷開，在t=0.15 s時(shí)采用容錯(cuò)控制，逆變器輸出經(jīng)低通濾波器后的仿真波形如圖4所示，低通濾波后B相控制信號(hào)的仿真波形如圖5所示。當(dāng)t<0.1 s時(shí)，電機(jī)正常運(yùn)行，A、B、C三相互差120°，逆變橋輸出的電壓為馬鞍波，可提高直流測(cè)電壓的利用率;當(dāng)0.1

3 1～50 HZ SVPWM信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)

TMS320F28335是TI公司最新推出的32位浮點(diǎn)DSP控制器，具有150 MHz的高速處理能力，18路PWM輸出，16路12位80 ns A/D轉(zhuǎn)換器，3路SCI，與TI前幾代數(shù)字信號(hào)處理器相比，性能平均提高了50%，并可與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容。其浮點(diǎn)運(yùn)算單元，可以顯著地提高控制系統(tǒng)的控制精度和處理器的運(yùn)算速度，是目前控制領(lǐng)域最先進(jìn)的處理器之一。

軟件分為主程序部分和中斷程序部分，圖6給出了主程序、PWM中斷服務(wù)程序及A/D中斷服務(wù)程序流程圖。主程序主要用于系統(tǒng)初始化，設(shè)置TMS320F28335的PWM、A/D、IO引腳及CPU中斷等系統(tǒng)功能模塊的工作方式。PWM中斷服務(wù)子程序用于計(jì)算SVPWM占空比，A/D中斷用于改變輸出SVPWM波的頻率。

在DSP28335中，為了發(fā)出正確的PWM波，需對(duì)EPWM模塊的定時(shí)器模塊、計(jì)數(shù)比較模塊、比較方式模塊、死區(qū)模塊和事件觸發(fā)模塊相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置。系統(tǒng)硬件電路如圖7所示，包括：DSP主電路，A/D端口接收電壓信號(hào)，改變SVPWM輸出的頻率，EPWM引腳輸出SVPWM波形，SCI串行口與單片機(jī)相連，發(fā)送當(dāng)前SVPWM的頻率值;RC低通濾波電路，方便觀察程序是否正確執(zhí)行，所產(chǎn)生的信號(hào)是否為SVPWM波;單片機(jī)最小系統(tǒng)，接收DSP傳送的信號(hào)，顯示SVPWM的頻率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證配置好相關(guān)寄存器后能否產(chǎn)生正確的1～50 Hz的SVPWM，進(jìn)行了以下的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置開關(guān)頻率為10 kHz，三路EPwm引腳的信號(hào)波形如圖8所示，調(diào)節(jié)A/D轉(zhuǎn)換輸人電壓值，改變輸出頻率，使得SVPWM頻率為1 Hz，將三路信號(hào)經(jīng)低通濾波后的波形如圖9所示。在實(shí)驗(yàn)中，EPwm x A配置為高有效，EPwm x B配置為低有效，可對(duì)其分別設(shè)置死區(qū)時(shí)間，由死區(qū)控制(DBCTL)寄存器實(shí)現(xiàn)，本程序中設(shè)置了EPwm x Regs.DBRED=50：EPwm x Regs.DBFED=50，對(duì)應(yīng)上升延遲約0.67μs，下降延遲約0.67μs，EPwm x A和EPwm x B的波形如圖10所示，調(diào)節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，使得輸出頻率為50 Hz，EPwm x A和EPwm x B的波形經(jīng)低通濾波后的波形如圖11(a)所示，改變A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，得頻率為2.274 Hz的SVPWM波形如圖8(b)所示。A相斷開后，改變B相和C相的占空比計(jì)算，得斷相后的B相控制信號(hào)如圖12所示，與仿真波形相一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證理論分析的正確性，經(jīng)簡(jiǎn)單的寄存器設(shè)置，TMS320F28335就能產(chǎn)生PWM波，結(jié)合PWM中斷和A/D中斷，就能實(shí)現(xiàn)1～50 Hz的SVPWM信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

介紹了SVPWM的三相H橋電路的基本原理，分析了三相H橋電路的電壓空間矢量，給出了正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下電壓空間矢量如何選擇，進(jìn)行了Matlab仿真，驗(yàn)證了所提出矢量選擇的合理性，同時(shí)通過配置最新的浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器TMS320F28335芯片的相應(yīng)寄存器來實(shí)現(xiàn)正常和故障時(shí)三相H橋控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。為電機(jī)容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種新驅(qū)動(dòng)信號(hào)矢量分配方法，在容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有一定的應(yīng)用價(jià)值。