基于TMS320F28335實現矢量空間解耦的六相空間矢量脈寬調制*

陳 琳， 封 華， 潘海鴻， 黃海明， 黃炳瓊

(廣西大學機械工程學院，廣西南寧 530004)

0 引言

多相電機系統與傳統三相電機系統相比，具有運行可靠性高、轉矩脈動小、電機效率高、易實現低壓大功率輸出等優點［1-3］，在大功率驅動領域有著廣闊的應用前景。

空間電壓矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)技術因其具有較低諧波輸出含量和較高母線電壓利用率等優點，得以廣泛應用。多相電機SVPWM技術是多相電機驅動技術研究的重點。1993年，Gopakumar等［4］將用于三相的SVPWM控制方法直接推廣到六相SVPWM，得到傳統的六相SVPWM方法，該方法用扇區兩側相鄰的兩個最大矢量和零矢量合成參考矢量，產生的諧波電流大［5］;Hadiouche 等［6］提出分級、多相SVPWM方法，采用三個非零矢量和零矢量合成目標矢量，產生的諧波電流大;侯立軍等［7］把三相電壓統一調制技術運用到六相異步電機，該算法運算簡單，易于推廣到以三相組為子集的多相電機控制系統;文獻［8］提出基于空間矢量解耦的SVPWM方法，使目標電壓矢量在發生能量交換的d-q平面內合成，同時使輸出電壓矢量在一個周期內零序諧波平面內平均作用效果為零，有效抑制了廣義零序子空間中電流分量。該方法目前理論上較理想，但算法復雜、運算量大，不易推廣［5，9-10］。

依據矢量空間解耦多相SVPWM算法原理，以雙Y相移30°的六相永磁同步電機為研究對象，提出了一種采用TMS320F28335數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)作為功率驅動器主控芯片，實現矢量空間解耦的SVPWM方法。采用求零序平衡矢量的方法求矢量作用時間，推導出ePWM模塊控制規律;搭建試驗平臺，實現矢量空間解耦的六相SVPWM控制方法。

1 矢量空間解耦的六相SVPWM控制的基本原理

圖1是六相電壓源逆變器驅動雙Y相移30°永磁同步電機示意圖。圖1中，A、C、E和B、D、F分別為電機內部兩套Y繞組，它們在空間上相差30°電角度，需要六相逆變器驅動。與六相逆變器64個開關狀態對應，在電機空間有64個開關狀態矢量，采用矢量空間解耦變換，將64個開關狀態矢量投影到三個相互正交的子空間:d-q子空間、z1-z2子空間和o1-o2子空間。由雙Y相移30°電機矢量空間解耦數學模型［11］可知，電機內部機電能量轉換發生在d-q子空間內，在其他子空間內只產生諧波電流。因而在各脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)周期內，用矢量空間解耦的六相SVPWM方法，在d-q子空間內合成參考電壓矢量。由于在z1-z2子空間合成參考電壓矢量的平均電壓作用效果為零，從而達到抑制定子繞組諧波電流的目的［8］。在一個PWM周期內，選取d-q子空間最大矢量和零矢量合成參考電壓矢量，如圖2所示。在d-q 子空間扇區 2，選取扇區兩側 U49、U48、U56、U60四個大矢量和零矢量合成參考矢量U，并定義U49、U48、U56、U60和零矢量作用時間依次為 T1，T2，T3，T4和T0，采樣周期(PWM周期)為Ts，則根據伏秒平衡，在d-q子空間、z1-z2子空間有式(1)和式(2)。

圖1 電壓源逆變器驅動雙Y相移30°PMSM示意圖

圖2 開關狀態矢量選擇

根據零序平衡矢量［9］方法，按式(3)求出式(1)、式(2)中矢量作用時間 T1，T2，T3，T4和 T0。

Udc——直流母線電壓;

θ——參考矢量與扇區下邊界矢量夾角，θ∈[0 ，π/6]。

在一個PWM周期內，四個非零矢量若采用逆時針順序依次作用，則在扇區1、2、5、6、9和10內有橋臂PWM波形出現兩個脈沖，這不利于控制波形輸出［10］。為此，通過調整矢量作用順序，使一個采樣周期內各橋臂功率管只開關一次，12個扇區矢量作用順序調整后的結果如表1所示。

表1 12扇區矢量作用順序表

2 六相電機SVPWM控制

TMS320F28335片內6個ePWM模塊同步工作時能夠輸出6對互補PWM信號，能夠實現雙Y相移30°永磁同步電機全橋控制。

2.1 ePWM模塊控制規律推導

由表1可知，12個扇區的PWM輸出波形均為不對稱PWM波形，因而ePWM硬件模塊計數方式選擇連續遞增模式。此外，根據表1中12個扇區矢量作用時間的順序，將其分為兩類:T0/4、T2、T1、T0/2、T4、T3、T0/4;T0/4、T1、T2、T0/2、T3、T4、T0/4。因此，在矢量作用時間轉換為比較值時，也分兩種情況考慮，以扇區1和扇區3為例，對這兩種情況進行分析(見圖3)。

圖3 矢量作用時間與比較值轉換

6個ePWM硬件模塊需選擇合適的比較值以確定各相PWM波形的上升沿和下降沿時間。以PWM1波形為例，根據圖3(a)，按照式(4)計算Ton1、Ton2、Ton3、Ton4、Ton5、Ton6，上升沿時間對應比較值Ton1，下降沿對應比較值Ton6。因而選擇ePWM1模塊比較寄存器CMPA、CMPB的比較值分別為Ton1、Ton6。其他5路同理。

同理，由圖3(b)按照式(5)可得到第二類的6個ePWM模塊比較寄存器比較值選擇。

根據分析，歸納出12扇區比較值計算公式選擇(見表2);12扇區PWM波形對應ePWM模塊控制規律如表3、表4所示。表中，CMPA、CMPB分別對應ePWM模塊中比較寄存器A、B的比較值。

表2 12扇區比較值計算公式選擇

2.2 矢量空間解耦六相SVPWM算法

根據表 2～表 4，按照圖 4所示流程，在TMS320F28335中實現矢量空間解耦六相電機SVPWM算法的具體步驟如下。

表3 1～6扇區ePWM模塊控制規律

表4 7～12扇區ePWM模塊控制規律

圖4 實現SVPWM算法流程圖

(1)扇區判斷:根據參考電壓矢量(Uα，Uβ)進行扇區判斷，確定扇區號N，求Uβ/Uα反正切值、計算出參考電壓矢量與d軸正軸所成的角度，按12個扇區不同角度范圍確定參考電壓矢量所在扇區號N，同時求出參考矢量與扇區下邊界矢量夾角θ。

(2)開關狀態矢量作用時間計算:根據式(3)計算扇區內矢量作用時間 T1、T2、T3、T4和 T0。

(3)扇區內矢量作用時間轉換為比較值:根據扇區號N，依據表2選擇對應公式計算出比較值 Ton1、Ton2、Ton3、Ton4、Ton5和 Ton6。

(4)根據扇區號N和推導出的ePWM模塊控制規律，選擇確定ePWM模塊比較寄存器比較值，進而實現12路PWM波形輸出。

3 試驗驗證與分析

3.1 試驗平臺

根據試驗系統框圖，搭建試驗平臺。TMS320F28335開發板作為功率驅動器的主控單元。在CCS 3.3環境下設置 TMS320F28335的CPU時鐘為 150 MHz，GPIO0-GPIO11引腳為PWM輸出，采樣周期Ts為200 μs，主中斷為ePWM1模塊的計數器的值為零時觸發中斷，矢量空間解耦SVPWM算法(見圖4)在主中斷服務程序中執行。每個PWM周期內控制程序按照ePWM模塊控制規律更新ePWM模塊比較值，最終實現矢量空間解耦六相SVPWM波形的實時輸出。

3.2 試驗結果與分析

(1)采用邏輯分析儀觀測PWM控制波形。試驗參考電壓 Uα=100 V、Uβ=60 V，按式(3)計算矢量作用時間(T1、T2、T3、T4和 T0)，通過邏輯分析儀觀測不同扇區的PWM輸出(見圖5)。圖5(a)為扇區1的PWM波形輸出，6路波形邏輯關系與圖3(a)相同;圖5(b)為扇區3的PWM輸出，6路波形邏輯關系與圖3(b)相同，這表明TMS320F28335的ePWM模塊可實現矢量空間解耦的六相SVPWM控制波形。圖5(c)為輸出6對帶有死區的互補PWM波形，符合六相逆變器全橋控制要求［12］。

(2)六相SVPWM開環系統試驗:設定f*=100 Hz，=0，=100 V，低通濾波電路中R=40 kΩ，C=10 nF，死區時間設置為6.4 μs，通過示波器觀測到的輸出波形如圖6所示。圖6(a)為a相橋臂互補控制信號，檢測到有6 μs的死區時間;圖6(b)為a相橋臂濾波前、后的波形信號;圖6(c)為a相和c相波形信號，a相超前c相3.44 ms，即a相超前c相約124°，比理論值120°略大;圖6(d)為a相與b相波形信號，a相超前b相800 μs，即 a 相超前 b 相約 29°，比理論的 30°略小。上述試驗結果表明，由TMS320F28335作為功率驅動器主控芯片，能夠輸出符合雙Y相移30°永磁同步電機驅動要求的PWM控制波形信號。圖6(e)為線電壓控制信號波形，是a相波形與c相波形的差信號波形，可見為正弦波形。圖6(f)為a相波形經快速傅里葉變換得到頻譜圖，從圖中可以看出波形信號主要頻率成分為基波和3次諧波，5、7次諧波成分被抑制，表明z1-z2空間諧波電壓得到控制，達到抑制電機諧波電流目的，這與矢量空間解耦算法的效果相符合。

圖5 邏輯分析儀的試驗結果波形

4 結語

圖6 示波器試驗結果波形

根據矢量空間解耦的多相SVPWM控制原理，提出采用TMS320F28335作為功率驅動器主控芯片，解決多相電機驅動控制算法復雜、計算量大等問題。通過研究TMS320F28335電機控制外設模塊ePWM模塊的特點，以雙Y相移30°PMSM為研究對象，運用矢量空間解耦控制原理推導出ePWM模塊控制規律，并在TMS320F28335開發板上實現了矢量空間解耦的六相SVPWM控制方法。試驗結果一方面證實TMS320F28335作為主控芯片，易于實現復雜的矢量空間解耦多相SVPWM算法，其輸出的多路PWM波形能夠滿足雙Y相移30°的永磁同步電機驅動要求;另一方面表明矢量空間解耦算法可有效抑制電壓諧波空間的5、7次諧波，達到抑制諧波電流的目的，這便于將矢量空間解耦的SVPWM方法進行推廣。

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