基于DSP的三相變頻SPWM波形算法研究

摘 要：本文介紹了一種高效的SPWM變頻調速的控制新算法，通過DSP的運算實時改變PWM波占空比，通過逆變電路得到正弦變化的三相交流電，并應用于伺服控制系統中，該算法簡潔高效，實用性強，能夠很容易應用于工程實踐中。

關鍵詞：變頻；TMS320F28035；SPWM；逆變電路

1 引言

正弦脈寬調制技術（SPWM）廣泛用于伺服控制和逆變電源中，現代交-直-交變換技術是建立在正弦脈寬調制（SPWM）之上的；目前，正弦脈寬調制（SPWM）的理論方法多種多樣，理論和方法也在不斷改進。本文利用DSP28035實現了SPWM波的調制，采用DSP高效運算能力產生PWM波，控制靈活，修改方便，系統控制可靠性高，性能很好。

2 SPWM在交-直-交變頻器中的應用

2.1 交-直-交變頻器的主電路

交-直-交變頻器的主電路主要有三個組成部分：整流電路、中間電路和逆變電路。

整流電路將電源提供的交流電壓變換為直流電壓，電路型式分為不可控整流電路和可控整流電路。

中間電路分為濾波電路和制動電路等不同的形式，濾波電路是對整流電路的輸出進行電壓或電流濾波。

逆變電路是將直流電變換為頻率和幅值可調節的交流電，對逆變電路中功率器件的開關控制一般采用SPWM控制方式。

2.2 SPWM原理

正弦波SPWM（Sinusoidally PWM）技術，就是用正弦波去調制PWM信號的脈寬，即：功率管的輸出為一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，其寬度依正弦波規律變化。

產生SPWM正弦波的基本方法是用一組虛擬的三角形波與一個正弦波進行比較（斬波）。現在應用較多的是利用虛擬的等腰三角形波與一個正弦波進行比較，如圖2所示。其相交的時刻（即交點）來作為開關管“ 開 ”或“ 關 ”的時刻。

圖中：t1–開關管導通；t2–開關管截止。

設定圖2表示的是U相電壓，t1對應開關管Q1導通區間，t2 對應開關管Q1截止區間。當PWM工作在中間對齊模式（又稱連續增減計數模式）時，可產生圖中的虛擬等腰三角形波。對應于每一次PWM中斷，更新t1。

3 TMS320F28035及EPWM模塊

TMS320F28035是TI新推出的Piccolo系列DSP之一，它具有很高的性價比和出色的DSP控制性能。單電源供電，主頻適中（60MHZ），附帶一個浮點運算核，價格便宜。同樣具有增強型eCAN、SPI，SCI等通信接口，增強型eQEP正交編碼接口、增強型ePWM接口，eCAP接口等。

EPWM模塊主要包含以下幾個部分：時間基準子模塊；計數比較子模塊；動作限定子模塊；PWM斬波子模塊；死區控制子模塊；錯誤區域控制子模塊；事件觸發子模塊。通過寄存器配置，28035可以多達7個通道14路PWM波輸出.。

4 算法設計

4.1 設計思路

正弦波某一時刻可由一定頻率的載波以某個占空比值來實現，根據面積等效原理，占空比為比較寄存器（CMPA/CMPB）與周期寄存器（TBPRD）的比值，因此只要使比較寄存器的值以正弦規律變化，就可以產生SPWM波形。

對于三相SPWM，由U相延遲2/3π，4/3π相位得到另外兩相V，W，分別由EPWM1，EPWM2，EPWM3控制。

4.2 算法分析

SPWM頻率為FRQ（0-100HZ），每個SPWM波周期采樣N次，即N次占空比的調整，時鐘頻率為60MHZ，則周期計數值TBPRD=60 000 000/（N*FRQ）。

這里給出一個占空比的算法，設正弦變化占空比Q=1+a/2*（sin（2K*π/N）-1），K=1，2，3…N-1，計算在中斷函數中進行。三個占空比式子分別為Q1=1+a/2*（sin（2K*π/N）-1），Q2=1+a/2*（sin（（2K*π/N）+2/3π）-1），Q3=1+a/2*（sin（（2K*π/N）+4/3π）-1）。

這是周期為N，幅值在（1-a，1）區間的正弦函數。其中a為調制系數，取值為0～1。由上面可得，比較寄存器（CMPA/CMPB）的值CMPX=TBPRD*Q。

SPWM波的頻率與PWM信號的頻率成正比關系。

4.3 程序編寫

程序由主程序和定時器下溢中斷子程序組成。

4.3.1 主程序流程如圖3

4.3.2 中斷函數編寫

每個定時中斷改變占空比，N次改變得到一個周期的SPWM波形。

中斷函數示例編寫如下：

interrupt void epwm1_timer_isr（void）

{ if（k>=N）

{ k = 0； }

Q=1-a/2+a*（sin（2Kπ/N）-1）；

Epwm1Regs.CMPA.half.CMPA=TBPRD*Q；

Epwm1Regs.CMPA.half.CMPB=TBPRD*Q；

K++；

EPwm2Regs.ETCLR.bit.INT=1；

PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP3；

}

程序根據需要合理選擇參數N，既滿足要求又使數據取整數。

5 結語

輸出的SPWM波形經過濾波輸出后可得到三相正弦交流電壓波，且頻率可調，可方便用于伺服控制器中。該算法以占空比函數設計入手，可快速配置相關寄存器，算法經過實驗驗證可行有效，算法較常規方法更簡潔，占用內存小，穩定性較好。

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