基于TMS320F240的空間電壓矢量PWM的實現??

摘要：敘述了空間電壓矢量（SVPWM）的基本原理，介紹了采用矩陣求解兩相鄰向量作用時間的方法和用數字信號處理器TMS320F240生成對稱空間電壓矢量的方法，它的優異性能可以實時完成SVPWM控制算法，且速度快，精度高。

關鍵詞：空間電壓矢量；脈寬調制；數字信號處理器

1? 引言

??? 在交流調速系統中，空間矢量PWM得到廣泛應用。空間矢量PWM是一種優化的PWM方法，和傳統的SPWM方法相比，空間矢量PWM具有直流電壓利用率高，諧波成分少，控制簡單，數字化實現方便等優點，目前有取代傳統SPWM的趨勢。隨著微機技術的發展，指令周期的縮短，計算功能的增強，存儲容量的增加，使得數字化PWM有了更廣闊的應用前景。本文采用的德州儀器（TI）公司推出的高性能16位數字信號處理器——TMS320F240是專門為電機數字化控制而設計的，內嵌PWM產生電路，死區時間的軟件設置，A/D轉換電路以及其他相關電路，可以方便地實現交流異步電動機的全數字化控制系統。

2? 空間電壓矢量PWM原理

??? 空間電壓矢量脈寬調制采用調制周期一定、對稱變更脈寬的方法調節逆變器的輸出電壓和頻率。典型的三相逆變器結構如圖1所示。

圖1? 三相橋式逆變器和三相交流電機連接圖

? 三相橋式電路按一定的規律控制三對橋臂晶體管的通、斷，將直流側電壓E=V_DC變為三相正弦電壓V_a、V_b和V_c輸出。橋式電路的上下橋臂晶體管的通斷狀態是互為反向的。因此，三相橋式電路各橋臂的通斷狀態只有8種，如表1所示。三相相電壓V_a、V_b和V_c與橋臂的通斷狀態有如下關系：

表1逆變器的8種開關狀態

通過坐標變換，將三相坐標系變為二相坐標系：

??? =（2）

??? 將表1中8種向量排成扇形并使相鄰向量僅變換1位，列出每個扇區相應的調制波形，如圖2所示。圖中0、1、2分別代表開關a、b、c.

圖2? SVPWM向量、扇區和波形

??? 圖2中向量V（xyz）中的x,y,z分別對應圖1中開關a、b、c開關狀態，1代表開，0代表關。

??? 實現實時產生空間向量對稱PWM的控制方法，關鍵在于如何實時控制電壓矢量的大小、方位及其作用時間。在一個PWM周期中，根據給定向量U_out所處的扇區，取該扇區兩相鄰向量。使其合成向量與U_out相等，即可算出這兩個向量分別應該持續的時間。

??? 假定V_out處于1°扇區中，定義T₁、T₂和T0、分別為向量V₄、V₆、V₀（或V₇）的持續時間，T_s為載波PWM的周期。由以下兩式可算出T₁、T₂和T₀：

??? T_s=T₁＋T₂＋T₀(3)

??? T_sU_out=T₁V₄＋T₂V₆(4)

寫成轉換到二相坐標系的矩陣形式：

??? （5）

??? 其中M₁₁、M₁₂、M₂₁、M₂₂為相鄰兩向量V₄、V₆構成的矩陣的逆矩陣M中的元素，當U_out處于不同的扇區時，不同的矩陣M是確定的，如U_out處于第二扇區時，矩陣M為V₆、V₂構成矩陣的逆矩陣。U_d、U_q為輸出電壓矢量U_out在二相坐標系a、b軸上的投影。其中

??? U_d=|U_out|cos=|U_out|cos(2nft)(6)

??? U_q=|U_out|sin=|U_out|sin(2nft)(7)

??? 通過式（5）可分別求出兩相鄰向量V₄、V₆的持續作用時間T₁、T₂，下面結合數字信號處理器TMS320F240實現上述對稱空間電壓矢量PWM。

3? 基于TMS320F240對稱SVPWM的實現

??? 采用TMS320F240生成對稱的SVPWM非常方便且精度高，其基本特性有：

??? 1）50ns指令周期，運算速度快；

??? 2）指令豐富，靈活；

??? 3）544 words片內數據RAM；

??? 4）16K words Flash EPROM；

??? 5）定時器連續向上/下計數生成對稱PWM；

??? 6）3個全比較單元輸出六路互補的PWM，且輸出極性可設置；

??? 7）具有生成SVPWM的硬件電路；

??? 8）死區時間可以靈活設置。

??? TMS320F240生成SVPWM的硬件電路圖如圖3所示。

圖3? PWM電路結構示意圖

??? TMS320F240可以有兩種方法生成SVPWM，一種采用TMS320F240內嵌的PWM電路，屬于二相調制方法的一種，由于二相調制的空間電壓矢量PWM在一個開關周期內始終有一個橋臂不發生開關動作，能夠減少開關損耗，但諧波相對會高一些，相對比較容易實現；另一種采用全比較單元電路，根據輸出電壓矢量U_out在不同扇區時，采用其相鄰兩向量和兩個零狀態矢量共同合成，實質上是一種優化的PWM方法，下面敘述后一種方法的實現。

??? 系統硬件的初始化主要完成以下部分：

??? 1）比較控制寄存器COMCON[12]=0,關閉由系統硬件電路產生的空間矢量PWM模式；COMCON[15]=1,開啟全比較操作；COMCON[11－10]=00,

??? 全比較控制寄存器重載條件設為通用定時器1下溢；COMCON[2－0]=111,全比較單元設為PWM模式；

??? 2）定時器控制寄存器T1CON[13－11]=101,設為連續增/減模式，由開關頻率設定相應的周期寄存器T1PR。

??? 軟件的關鍵部分在于：

??? 1）首先計算U_out在二相坐標系a、b軸上的投影U_d、U_q，

??? 2）判斷U_out所在的扇區S（S=1,表示Uout位于1°扇區），調用扇區相對應的矩陣M，由式（3）、（5）計算相鄰向量的作用時間T₁、T₂和零矢量的作用時間T₀,同時計算得到0.25T₀、0.25t₀＋0.5t₁、0.25T₀＋0.5T₁＋0.5T₂三個開通時刻的值，從圖4我們可以得到，但U_out位于扇區1°時（即S=1），0.25T₀值賦給CMPR1，0.25T₀＋0.5T₁賦給CMPR2,0.25T₀＋0.5T₁＋0.5T₂賦給CMPR3,由此，可以得到U_out位于不同扇區時，三個比較寄存器CMPR1、CMPR2、CMPR3的賦值表，如表2所示。

表2? 全比較單元寄存器賦值表

圖4? 對稱空間矢量在各個扇區的波形圖

??? 本文結合磁懸浮高速電機實驗用的變頻電源，利用上述方法編寫了開環，載波頻率為20kHz，變頻范圍為0～2000Hz的SVPWM程序。

4? 實驗結果分析

??? 利用上述介紹的對稱空間電壓矢量PWM技術，結合TMS320F240開發板，逆變電路由CM50DY—24H組成，驅動電路采用M57962，采用對稱三相感性負載，得到如下結果如圖5所示。

圖5? 線電壓波形（f=100Hz? f_s=20kHz）

??? 圖5驗證了上述方法的可行性。由TDS3032B數字示波器數學計算中的快速傅立葉算法的M波形可知，對稱的空間電壓矢量PWM的諧波成份少，電壓利用率高。

5? 結語

??? 面向電機控制的高性能TMS320F240的推出，可以實現實時的SVPWM，采用對稱空間矢量PWM調制技術，由于波形對稱，和TMS320F240內嵌PWM電路相比，具有更小的諧波，從而減少電機銅耗，提高效率，而且有助于提高系統集成度，降低系統成本，有著廣泛的應用前景。