周梅輝 吳章標(biāo) 蔣 順 余勇波 繆 峰

（中國(guó)人民解放軍95275部隊(duì)，廣西 柳州 545005）

伴隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)在其中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。特別在工業(yè)逆變電源中，空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）方法已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的一種逆變控制技術(shù)。SVPWM方法具有電壓諧波小，直流電壓利用率高，精度高等等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字化控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

TMS320C6747低功耗數(shù)字信號(hào)處理器，其主頻可達(dá)300MHz，每秒可執(zhí)行2400百萬(wàn)條定點(diǎn)指令或者1800百萬(wàn)條浮點(diǎn)運(yùn)算指令，其浮點(diǎn)運(yùn)算單元能顯著提高控制精度和運(yùn)算速度，采用1.2V的核電壓、3.3V的I/O電壓，適用于工業(yè)控制，同時(shí)芯片自帶了3路增強(qiáng)型PWM輸出，對(duì)電力電子控制提供了良好的支持。

本文在研究了SVPWM原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320C6747的特點(diǎn)，對(duì)該數(shù)字控制器芯片為核心的電源逆變硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并編寫了相關(guān)的軟件程序。

1 空間矢量脈沖調(diào)制基本原理

空間矢量脈沖調(diào)制方法的基本原理是，利用逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件之間的不同的開(kāi)關(guān)組合，從而合成有效電壓矢量來(lái)逼近基準(zhǔn)圓。

如圖 1所示，T1，T2，T3，T4，T5，T6為功率開(kāi)關(guān)器件，其中 T1與 T2，T3與 T4，T5與 T6各成一組，同一時(shí)刻的同一組只有一個(gè)導(dǎo)通。Va，Vb，Vc為輸出相電壓，通過(guò)對(duì) T1—T6功率開(kāi)關(guān)的控制，輸出不同組合的相電壓，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓空間矢量。

圖1 三相逆變主電路

針對(duì)圖1所示逆變電路，假設(shè)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的狀態(tài)為1，斷開(kāi)的狀態(tài)為0，那么圖1中逆變系統(tǒng)的工作狀態(tài)有8種，T1、T3、T5的通斷組合為有8種：000，001，010，011，100，101，110，111。其中000和111狀態(tài)為無(wú)效狀態(tài)，其他6種狀態(tài)為有效狀態(tài)。其形成的基本電壓空間矢量圖如圖2所示。

圖2 基本電壓空間矢量圖

通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)刻的控制，從而實(shí)現(xiàn)電壓輸出的控制。這是SVPWM的基本原理和實(shí)現(xiàn)的有效途徑。

2 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于SVPWM的逆變系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)中存在以下幾個(gè)難點(diǎn)。

1）控制系統(tǒng)硬件多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。這是一個(gè)弱電控制強(qiáng)電的過(guò)程，為了保證控制精度、控制速度和系統(tǒng)可靠性，不僅對(duì)控制芯片提出了更高的要求，而且對(duì)電路的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的要求。

2）為了保證該系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和實(shí)用性，系統(tǒng)加入了位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)的相應(yīng)接口。從而能方便實(shí)現(xiàn)逆變、電機(jī)閉環(huán)控制等等相應(yīng)的功能。這需要添加大量的外設(shè)，所以在硬件設(shè)計(jì)中要綜合考慮和設(shè)計(jì)，不僅要保證硬件設(shè)計(jì)的正確性和穩(wěn)定性，還要充分考慮系統(tǒng)的需求。

針對(duì)以上實(shí)際情況，在硬件和軟件設(shè)計(jì)中需要充分考慮各方面因素，硬件上選用精度高，速度快的芯片作為控制核心，軟件上使用優(yōu)化的代碼，合理設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)。

2.1 控制芯片特點(diǎn)

設(shè)計(jì)了以 TMS320C6747為核心的控制器，TMS320C6747是TI公司低功耗浮點(diǎn)型工業(yè)控制芯片，相對(duì)其他一些芯片而言，它具有多方面的優(yōu)勢(shì)，可以達(dá)到要求的控制精度。

1）它的運(yùn)行速度為300MHz，采用兩級(jí)緩沖存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，相對(duì)而言，它的存儲(chǔ)空間都有了很大的增加，整體性得到大幅度提升，非常適合需要大量計(jì)算的工業(yè)控制系統(tǒng)，方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。SVPWM 的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有大量的運(yùn)算，通過(guò)使用該款DSP芯片可縮短計(jì)算時(shí)間，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2）優(yōu)良的內(nèi)部浮點(diǎn)架構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了編程，縮短了程序代碼長(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間。傳統(tǒng)的定點(diǎn)型DSP只能表示整數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)小數(shù)位的表示需要采用別的方式，編程復(fù)雜并且易出錯(cuò)。同時(shí)復(fù)雜的程序運(yùn)行增加了程序執(zhí)行的時(shí)間，占用了存儲(chǔ)器的空間，使系統(tǒng)的控制精度降低。浮點(diǎn)運(yùn)算有效解決了這一個(gè)問(wèn)題，減少了針對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算的編程工作，簡(jiǎn)化了程序。

3）有3路高精度PWM輸出，能靈活進(jìn)行相關(guān)配置死區(qū)時(shí)間、觸發(fā)方式以及占空比等方面信息。傳統(tǒng)的PWM輸出是通過(guò)粗糙步長(zhǎng)，而HRPWM輸出則是通過(guò)微觀邊緣定位（MEP）方式，MEP邏輯將傳統(tǒng) PWM產(chǎn)生單元的粗糙系統(tǒng)時(shí)鐘配置為更加細(xì)小的單元，HRPWM能通過(guò)MEP方式輸出更高的控制精度。

2.2 相關(guān)外設(shè)

電流傳感器。矢量控制需要三相電流，根據(jù)控制要求和實(shí)際情況，選用了LEM公司生產(chǎn)的電流傳感器，測(cè)量范圍為：0～100A，將輸出經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路后調(diào)理成0～10V接入AD采樣芯片后傳送給DSP芯片。

2.3 功率模塊

主電源通過(guò)直流電源供電，通過(guò)DSP對(duì)智能功率模塊（IPM）進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)成三相三相交流電壓輸出，其中 IPM 選用了富士公司的6MBP20RTA060智能功率模塊，該 IPM 耐壓可達(dá)600V，最大通過(guò)電流為20A，基本滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)該IPM集成了相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)有過(guò)電壓，過(guò)電流，過(guò)熱等檢測(cè)電路，能為系統(tǒng)提供相關(guān)的保護(hù)。使用時(shí)只要在PWM信號(hào)和IPM控制端口之間加入簡(jiǎn)單的光電隔離電路。加入智能功率模塊后整個(gè)電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單，系統(tǒng)整體的可靠性和安全性也得到了提升。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件分為兩個(gè)模塊：系統(tǒng)主程序模塊和中斷服務(wù)程序。主程序模塊的主要用來(lái)對(duì)系統(tǒng)的外設(shè)硬件進(jìn)行初始化。SVPWM 中斷服務(wù)程序采用定時(shí)器中斷，依據(jù)設(shè)定的頻率來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的 PWM波輸出，該中斷服務(wù)程序具有良好的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)要求設(shè)計(jì)了基于 TMS320C6747的硬件結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 硬件設(shè)計(jì)圖

為了測(cè)試系統(tǒng)，在三相輸出加入了永磁同步電機(jī)作為負(fù)載進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)用永磁同步電機(jī)采用了浙江某電機(jī)公司生產(chǎn)的永磁同步電機(jī)電機(jī)，額定功率為500W，允許供電范圍為38～380V，有兩個(gè)對(duì)極，允許轉(zhuǎn)速范圍為300～3000r/min。其具體參數(shù)如表1所示。

表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)表

在使用設(shè)計(jì)的逆變系統(tǒng)對(duì)該永磁同步電機(jī)進(jìn)行空間矢量脈沖調(diào)制的控制，在電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，記錄了系統(tǒng)的A相電流輸出，如圖5所示。

圖5 加入電機(jī)負(fù)載后A相電流

在永磁同步電機(jī)作為負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行后，由上圖A相電流可以看出電流成正弦，有所波動(dòng)，但是相對(duì)穩(wěn)定在了±2A的這個(gè)范圍內(nèi)，同時(shí)在固定頻率下電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定正常。

通過(guò)使用基于TMS320C6747的SVPWM的逆變模塊，永磁同步電機(jī)能實(shí)現(xiàn)它的穩(wěn)定運(yùn)行和輸出。說(shuō)明該SVPWM實(shí)現(xiàn)方法的正確性和實(shí)用性。

4 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)SVPWM的研究，采用了DSP作為核心控制芯片，設(shè)計(jì)了相關(guān)電路的外設(shè)和相關(guān)控制算法，最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性和實(shí)用性。

本文主要結(jié)論如下：

1）本文應(yīng)用了 TI公司的工業(yè)控制芯片TMS320C6747作為核心設(shè)計(jì)了 SVPWM 輸出的逆變系統(tǒng)，具有良好的控制性能、實(shí)用性和可行性。

2）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了全數(shù)字化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單可行，具有可參考性。

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