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變頻技術(shù)作為現代電力電子的核心技術(shù),集現代電子、信息和智能技術(shù)于一體。針對工頻(我國為50 Hz)并非是所有用電設備的最佳工作頻率，因而導致許多設備長(cháng)期處于低效率、低功率因數運行的現狀,變頻控制提供了一種成熟、應用面廣的高效節能新技術(shù)。 而SPWM（正弦波脈寬調制）波的產(chǎn)生和控制則是變頻技術(shù)的核心之一。開(kāi)始的SPWM生成技術(shù)是采用模擬電路構成三角波和正弦波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定他們的交點(diǎn)。這種方法電路復雜，精度較差，早已淘汰。后來(lái)人們采用單片機和微機生成SPWM波，但受硬件計算速度和算法計算量的影響，往往無(wú)法兼顧計算的精度和速度。再后來(lái)隨著(zhù)具有強大運算能力的DSP和一些新算法的出現，這一問(wèn)題得到了較好地解決。 1 算法的原理 一般SPWM波形的產(chǎn)生有以下幾種方法：自然采樣法、規則采樣法、低次諧波消去法直接面積等效法等。其中自然采樣法的精度很高，但他求解導通關(guān)斷點(diǎn)需要解一個(gè)超越方程，計算量很大，一般不被采用。低次諧波消去法計算復雜，只能用查表法，而且這種方法的波形頻率和幅值是不可以連續變化的。因此將主要分析規則采樣法，直接面積等效法這兩種方法的原理。 規則采樣法是從自然采樣法演變而來(lái)的，他由經(jīng)過(guò)采樣的正弦波(實(shí)際上是階梯波)與三角波相交，由交點(diǎn)得出脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點(diǎn)或底點(diǎn)位置對正弦波采樣而形成階梯波。其原理如圖1(a)所示。 其中： Tz: 三角載波周期 M: 調制深度(正弦波與三角波幅值比) t：某采樣時(shí)刻? 直接面積等效法的基本原理如圖1(b)所示。 在圖中的正弦半波波形中取一小區間［t，t+Δt］，其面積為S1，則與其面積相等的矩形脈沖面積為S2，寬度為δi。設正弦波幅值為Usin，調制度為M，矩形脈沖幅值為Us。有 式中k代表第k次采樣，N代表半周期內對正弦波的采樣點(diǎn)。則IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間可如下計算： 2 算法的分析及其在DSP上的實(shí)現 (1)算法的分析 在生成SPWM波形時(shí)，通常有查表和實(shí)時(shí)計算兩種方法，實(shí)際使用時(shí)往往是兩種方法的結合，即先離線(xiàn)進(jìn)行必要的計算存入內存，運行時(shí)再進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的在線(xiàn)計算，這樣既可保證快速性，又不會(huì )占用大量的內存。 規則采樣法通常事先存入正弦函數表和不同載波頻率時(shí)的Tz/2,運行時(shí)根據要求的Tz,M和ω即可算出開(kāi)關(guān)器件的導通時(shí)間（詳見(jiàn)公式1）。這種方法的計算量很小且波形的幅值和頻率都是可以連續變化的。? 直接面積等效法通常事先存入不同頻率下的余弦函數表，運行時(shí)也只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的乘法和減法運算（詳見(jiàn)公式2）。這種方法的計算量適中且波形的幅值和頻率也是連續變化的。 由規則采樣法的原理可知他是用一近似的階梯波來(lái)代替正弦波與三角波進(jìn)行比較，因此他的精度較低，但由于計算簡(jiǎn)單，在使用單片機和微機生成SPWM波的時(shí)代得到了較為廣泛的應用。但隨著(zhù)具有強大運算能力的DSP的出現，使得兼顧計算的精度和速度這一問(wèn)題有了解決的希望。因此采用具有較高精度且計算量適中的直接面積等效法和DSP相結合來(lái)解決這一問(wèn)題。 (2)DSP的特點(diǎn) DSP的廠(chǎng)家很多，國內應用主要以TI公司的居多。這里采用TI公司的TMS320系列。TI公司的TMS320C2000 DSP是基于320C2xLP核。為了實(shí)現小數的算術(shù)運算和驗證小數的乘積，C2xLP的乘積寄存器的輸出通過(guò)乘積移位器，以抑制運算中產(chǎn)生的多出來(lái)的Bit。該乘積定標移位器允許作128個(gè)乘積累加而不會(huì )產(chǎn)生溢出�；镜某朔e累加（MAC）周期，包括將一個(gè)數據存儲器的值乘以一個(gè)程序存儲器的值，并將結果加給累加器。當C2000循環(huán)執行MAC，則程序計數器自動(dòng)增量，并將程序總線(xiàn)釋放給第二個(gè)操作數，從而達到單周期執行MAC。 C2000系列中的C24x系列的芯片具有事件管理器。該事件管理器具有3個(gè)加/減定時(shí)器和9個(gè)比較器，可以和波形產(chǎn)生邏輯配合產(chǎn)生12 PWM的輸出。支持同步的和異步的PWM產(chǎn)生。他還支持一個(gè)空間向量PWM狀態(tài)機，用開(kāi)關(guān)功率晶體管來(lái)實(shí)現，以延長(cháng)晶體管的壽命和降低功耗。一個(gè)關(guān)機段產(chǎn)生單元也有助于保護功率晶體管。其原理如圖2所示。 可以看到，為了實(shí)現實(shí)時(shí)的變壓與變頻，需要根據當前載波所在時(shí)間T做大量的運算，而這些運算都要求在一個(gè)載波周期內完成。以載波頻率為15625Hz為例，其周期為64μs，若要求三相輸出，則所有這些運算都要求在32μs內完成。這對于單片機而言，是完全不可能的。而對于DSP而言，其指令周期為50ns，且多為單周期指令，并且有單周期的乘法指令。因此，充分利用了DSP的強大運算能力，才最終實(shí)現了上述計算的實(shí)時(shí)完成。 (3)直接面積等效法的實(shí)現 根據直接面積等效法的公式，在Flash中存入1個(gè)cosX/2π的表，這樣就可以盡可能簡(jiǎn)化不必要的運算。在實(shí)際計算時(shí)只需計算1次減法、1次乘法、1次除法即可。 程序流程圖見(jiàn)圖3。 3 變頻系統的最終實(shí)現 根據上述設計，使用IPM（智能功率模塊）及相應的整流，濾波電路搭建了一變頻實(shí)驗系統。出于擴展的要求，使用單片機擴展了其的輸入輸出接口，使其具有更好的通用性。其硬件結構如圖4所示。 如圖4所示，基于DSP的SPWM控制系統中，包括三大模塊：IPM智能功率模塊、DSP處理器和單片機。DSP處理器用于實(shí)時(shí)產(chǎn)生PWM脈沖信號，用以控制IPM產(chǎn)生輸出信號。單片機系統用于接受外部控制信號，負載端電壓、電流的采樣信號，各種電路保護信號等輸入信號，一方面進(jìn)行工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，另一方面對實(shí)時(shí)采樣的電壓電流信號進(jìn)行處理后，向DSP系統送去相應信號，使DSP在線(xiàn)調整SPWM信號，滿(mǎn)足閉環(huán)工作的技術(shù)指標要求。這樣的系統構成模式使系統功能模塊化，可最大限度地發(fā)揮DSP的計算能力，調試方便，便于系統的功能擴充，為以后系統的升級換代提供了較為方便的條件。 通過(guò)該實(shí)驗系統，實(shí)現了輸出頻率可在1～1000Hz內變化的SPWM波形的生成。其主要波形如圖5所示。 4 結論 研究表明，以DSP為核心基于直接面積等效法生成SPWM波的變頻實(shí)驗系統是成功的。其較寬的變頻范圍和擴展的輸入輸出接口使其在變頻電源、變頻器等多方面都能得到廣泛的應用。 |
