基于DSP生成SVPWM在逆变电源中的应用研究

摘 要：提出了用DSP生成SVPWM波对逆变电源实现全数字化控制的一种方法。在分析了TMS320LF2407A数字信号处理器芯片特点的基础上，给出了系统设计的软、硬件结构。实验表明，系统电路简单，可靠性高，可升级性强。
关键词：逆变器；数字信号处理器；数字化；空间矢量脉宽调制
O 引言
    随着信息技术的发展，400Hz中频逆变电源供电系统作为世界各国越来越广泛应用于航空、航天、导弹、雷达、通信、飞机、车辆的标准供电系统，一般为高、精、尖的电子设备提供工作电源。目前大部分逆变电源都采用模拟电路控制或是部分数字电路控制，系统可维护性差，升级困难。本文结合具体工程任务，主要致力于逆变电源的全数字控制技术的研究，在原有逆变电源的基础上，采用DSP生成SVPWM波作为信号源来替代原电路信号源的技术，以改善逆变电源的输出性能及提高逆变电源的可靠性。
    逆变电源采用数字控制，具有以下优点：
    1)数字控制(DSP)采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更高，性能更加完美；
    2)控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件电路；
    3)控制系统的可靠性提高，易于标准化；
    4)系统维护方便。系统一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或USB接口进行调试、故障查询、故障诊断、软件修复，甚至控制参数的在线修改和调试；
    5)系统的一致性较好，成本低，生产制造方便。

1 SVPWM原理
    空间矢量脉宽调制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)实际上是对于三相电压源逆变器功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合，这种开关触发顺序和组合将在电机定子线圈中产生三相互差120°的波形失真较小的正弦波电流。实践和理论都可以证明，与直接的正弦脉宽调制(sPwM)技术相比，svPwM在输出电压或电机线圈的电流都将产生更少的谐波，提高了对电压源逆变器直流供电电源的利用率。
    电压源逆变器可由图1所示的6个开关来等效表示。逆变器桥臂的上下开关在任一时刻不能同时导通。不考虑死区时，上下桥臂的开关呈互补状态，因此逆变器有8种不同的开关模式。

    如图1所示，当上桥臂开通、下桥臂关断时，即Sa=1时，U=udc／2；当上桥臂关断、下桥臂开通时，即Sa=O时，U=一Udc／2o、Sc亦同。
    逆变器的8种开关模式对应有8个电压空间矢量。采用3／2坐标变换，将三相电压变换到d—q轴系。

   

    代入不同的开关模式(Sa、Sb、Sc)，通过上述的3／2坐标变换，可得图2所示的电压空间矢量。
    图2中共有8个矢量，其中V(O O O)和V(1 1 1)为零矢量，幅值为O；其余6个矢量为有效矢量，幅值为相邻有效矢量的夹角为60°。
    通过不同的矢量组合可以合成新矢量，如图2所示，设相邻两个有效矢量V1和Vm，零矢量为Vo，合成新矢量Vout，矢量作用时间分别是T1、Tm、To。Tpwm是PWM脉宽周期。
    合成新矢量的表达式为

   

2 基于DSP生成SVPWM波
2．1 DSP芯片TMS320LF2407A
    根据任务要求及特点，选取了TMS320LF2407ADSP处理器。TMS320LF2407A是TI公司专为工业控制和电机控制推出的系列产品。这款DSP将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身。有如下特性：灵活的指令系统；高速的运算能力；大容量的存储能力；有效的性能价格比。主要应用领域包括：工业电机驱动；逆变电源；功率转换器和控制器；汽车系统；仪表和压缩机电机控制；机器人和计算机数字控制机械。
    TMS320LF2407A具有2个事件管理器；32位中央算术逻辑单元；32位累加器；16位×16位乘法器；3个比例移位器；间接寻址用的8个16位辅助寄存器和辅助算术单元；4级流水线操作；8级硬件操作；6个可屏蔽中断；544字的片内DARAM和2K字的片内SARAM；32K字片内FLASH程序存储器；64K程序存储空间；35.5K数据存储空间；I／0空间64K。此外还有功能强大的外设：串行通信接口SCI；串行外围接口 SPI；CAN总线控制器；事件管理器EV；A／D转换器；看门狗WD。
    TMS320LF2407A芯片是通过3条总线实施指令读取、泽码、取操作数、执行指令等操作。

2．2 生成SVPWM波的方法
    TMS320LF2407A中有两个事件管理器EVA和EVB，它们都有一特殊硬件——SVPWM状态机器件。因此2407A具有两个SVPWM状态机。
    本系统采用EVA，利用2407A内部自带的SVPWM状态机牛成波形。以有效矢量V(100)和V(110)为例。方案为V(1OO)-V(11O)一
V(111)-V(11O)一V(1OO)，如图3所示。

    此时功率器件所需开关频率即常规SPWM调制中的载波频率。在EVA中填入To、T1／2和Tm／2，即可生成图3所示的方案。
    只要给定输出频率、输出线电压、直流母线电压后，就可以生成SVPWM，步骤如下。
    1)连续不断地合成新的矢量，就能令电机产生圆形的磁场。新矢量的角度递增关系为
   
式中：角频率ω=2π／f，f是输出频率。
    2)根据角度a落在6个不同区间，选择不同的有效矢量V1和Vmo
    3)有效矢量V1和Vm作用的先后次序，决定磁场的旋转方向，终决定电机是正转或反转。
    4)根据SVPWM生成方案，交由SVPWM状态机计算，得到计算结果。

3 系统软、硬件设计
3．1 硬件结构
    通过比较各种功率变换电路，例如方波逆变器、阶梯波合成逆变器、正弦脉宽调制逆变器等的优缺点，确定仍沿用产品初样阶段使用的全桥逆变式结构方案，重点在改进控制方式上，即在控制方式上采用全数字的控制方式，采用空间矢量正弦波脉宽调制(SVPWM)式的控制方式。系统结构原理图如图4所示。

    本系统电路为三相逆变电路，主电路是典型的AC—DC—AC逆变电路，将输入的三相交流电(频率是400Hz，电压208V)经整流、滤波后供给逆变器输出三相交流电，频率是50 Hz，再经隔离变压器变成380V的交流电。隔离变压器另一路输出经过A／D变换反馈到2407A芯片，2407A芯片输出信号给驱动电路，控制逆变器输出参数。
    逆变电源控制电路是2407A芯片电路，主要完成以下几个方面的工作。
    1)接受控制命令，启动、停止逆变电源；
    2)输出SVPWM波控制信号到驱动电路，同时监测逆变电源输出电压，并通过反馈电路实现电源的闭环控制；
    3)随时监控逆变电源运行状态，一旦发生故障，关闭控制输出，同时完成故障参数的存储、保护。

3.2 软件实现
    由于采用TMS320LF2407A，使编程的工作量大为减少。采用汇编语言编程，指挥整个系统的工作，通过系统初始化子程序对各参数、寄存器等进行设定，实施对主电路的控制，逆变输出50Hz的三相交流电。编程采用顺序结构，调用子程序简单方便，子程序可以把电压、电流、频率的数值通过LED分别显示出来。在整个工作过程中，随时对电流、电压进行测量比较，一旦出现过流、欠电压情况及时报警，情况严重时自动停机，并且存储故障参数。主程序流程框图如图5所示。

4 结果验证
    根据生成SVPWM的基本公式式(6)～式(7)，只要给定输出频率、输出线电压、直流母线电压，经过SVPWM子程序和TMS320LF24007A SVPWM状态机，生成PWM脉冲控制(图1所示的)三相逆变桥，将会在逆变桥的输出端得到三相对称的正弦电压波形(滤波后)。
    图6为不考虑死区生成的SVPWM，对PWM管脚滤除载波后的管脚波形。图6中，1和2是Ua和Ub的波形，对应于逆变桥的相电压；中间为Uab的波形，对应于逆变桥输出的线电压。可以看出有1／3周期，A相要么处于，要么处于，因此大大降低了开关频率。

5 结语
    本文研究的基于DSP TMS320LE2407A实现SVPWM波的方法已经在具体工程中得到验证，并取得了良好的控制效果。经过上述分析和实验，结果表明：
    1)通过合理安排零矢量作用时间，可以有效改善PWM谐波特征，使谐波减小，并且电压利用率高；
    2)可以非常方便地实现SVPWM算法，是目前逆变电源控制中比较理想的选择；
    3)采用电压空间矢量PWM作为信号源，电流谐波少，转矩脉动小，噪音低，不但控制电路简化，而且系统的可靠性也得到了很大的提高。

  

参考文献:

[1]. TMS320LF2407A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320LF2407A_309789.html.
[2]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.