基于TMS320F28335的SVPWM信號發(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)，進入各個領(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，介紹了TMS320F28335的SVPWM信號發(fā)生器設(shè)計，并實現(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實驗平臺上進行了調(diào)試和實驗觀察，給出實驗結(jié)果波形。實驗證明，基于DSP的SVPWM信號發(fā)生器具有實現(xiàn)簡單方便、易于數(shù)字化的特點，能更好地滿足功率器件對驅(qū)動信號的不同要求，便于實現(xiàn)容錯控制。

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)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。在電機實現(xiàn)變頻調(diào)速的控制方法中，PWM的輸出是調(diào)速系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，因此對整體系統(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，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)有容錯控制系統(tǒng)，由于控制器PWM引腳數(shù)量和運算能力限制，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DSP控制器，是目前先進的控制器之一，運算能力強，可應(yīng)用于電機實時控制系統(tǒng)中，具有18路PWM輸出，為容錯控制系統(tǒng)提供足夠的驅(qū)動信號。因而，文中介紹了基于TMS320F28335的SVPWM信號發(fā)生器的基本原理和方法實現(xiàn)，并對逆變橋故障時的電壓空間矢量進行了分析，實現(xiàn)了三相H橋逆變電路正常狀態(tài)下和一相故障時的驅(qū)動信號發(fā)生器設(shè)計，可應(yīng)用于容錯電機矢量控制系統(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視為一體，以三相對稱正弦波電源供電時交流電動機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，同一橋臂的兩個開關(guān)管不能同時導(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。

為達到良好的控制效果，選擇長度應(yīng)該為最長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作為電機故障狀態(tài)時基本矢量，同B、C相斷相時分析方法選擇基本電壓空間矢量。

如圖3所示，在一個控制周期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個電壓矢量，控制其作用時間，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間;T0表示零矢量作用時間。

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A、B、C的值計算扇區(qū)N的值：N=A+2B+4C，由式計算的N值對應(yīng)如圖2所示。

2 仿真研究

利用Matlab/simulink工具對所述方法仿真，為驗證其正確性和可行性，采用id=0的磁場定向方式，利用三相H橋控制電機。仿真時間為0.2 s，在t=0.1 s時A相斷開，在t=0.15 s時采用容錯控制，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相控制信號的仿真波形如圖5所示。當(dāng)t0.1 s時，電機正常運行，A、B、C三相互差120°，逆變橋輸出的電壓為馬鞍波，可提高直流測電壓的利用率;當(dāng)0.1

3 1～50 HZ SVPWM信號發(fā)生器的實現(xiàn)

TMS320F28335是TI公司最新推出的32位浮點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)字信號處理器相比，性能平均提高了50%，并可與定點C28x控制器軟件兼容。其浮點運算單元，可以顯著地提高控制系統(tǒng)的控制精度和處理器的運算速度，是目前控制領(lǐng)域最先進的處理器之一。

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EPWM模塊的定時器模塊、計數(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，改變SVPWM輸出的頻率，EPWM引腳輸出SVPWM波形，SCI串行口與單片機相連，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)生的信號是否為SVPWM波;單片機最小系統(tǒng)，接收DSP傳送的信號，顯示SVPWM的頻率。

4 實驗結(jié)果分析

為了驗證配置好相關(guān)寄存器后能否產(chǎn)生正確的1～50 Hz的SVPWM，進行了以下的驗證實驗。在實驗中，設(shè)置開關(guān)頻率為10 kHz，三路EPwm引腳的信號波形如圖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，將三路信號經(jīng)低通濾波后的波形如圖9所示。在實驗中，EPwm x A配置為高有效，EPwm x B配置為低有效，可對其分別設(shè)置死區(qū)時間，由死區(qū)控制(DBCTL)寄存器實現(xiàn)，本程序中設(shè)置了EPwm x Regs.DBRED=50：EPwm x Regs.DBFED=50，對應(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相的占空比計算，得斷相后的B相控制信號如圖12所示，與仿真波形相一致。實驗結(jié)果驗證理論分析的正確性，經(jīng)簡單的寄存器設(shè)置，TMS320F28335就能產(chǎn)生PWM波，結(jié)合PWM中斷和A/D中斷，就能實現(xiàn)1～50 Hz的SVPWM信號發(fā)生器設(shè)計。

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，進行了Matlab仿真，驗證了所提出矢量選擇的合理性，同時通過配置最新的浮點數(shù)字信號控制器TMS320F28335芯片的相應(yīng)寄存器來實現(xiàn)正常和故障時三相H橋控制驅(qū)動信號。為電機容錯系統(tǒng)設(shè)計了一種新驅(qū)動信號矢量分配方法，在容錯系統(tǒng)設(shè)計中有一定的應(yīng)用價值。