基于TMS320C6747的SVPWM實現(xiàn)方法研究

周梅輝 吳章標 蔣 順 余勇波 繆 峰

（中國人民解放軍95275部隊，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，數(shù)字化控制實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。

TMS320C6747低功耗數(shù)字信號處理器，其主頻可達300MHz，每秒可執(zhí)行2400百萬條定點指令或者1800百萬條浮點運算指令，其浮點運算單元能顯著提高控制精度和運算速度，采用1.2V的核電壓、3.3V的I/O電壓，適用于工業(yè)控制，同時芯片自帶了3路增強型PWM輸出，對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)字信號處理器 TMS320C6747的特點，對該數(shù)字控制器芯片為核心的電源逆變硬件設(shè)計進行了研究，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關(guān)器件之間的不同的開關(guān)組合，從而合成有效電壓矢量來逼近基準圓。

如圖 1所示，T1，T2，T3，T4，T5，T6為功率開關(guān)器件，其中 T1與 T2，T3與 T4，T5與 T6各成一組，同一時刻的同一組只有一個導通。Va，Vb，Vc為輸出相電壓，通過對 T1—T6功率開關(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

針對圖1所示逆變電路，假設(shè)功率開關(guān)導通的狀態(tài)為1，斷開的狀態(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

通過對開關(guān)時刻的控制，從而實現(xiàn)電壓輸出的控制。這是SVPWM的基本原理和實現(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)硬件實現(xiàn)中存在以下幾個難點。

1）控制系統(tǒng)硬件多，結(jié)構(gòu)相對復雜。這是一個弱電控制強電的過程，為了保證控制精度、控制速度和系統(tǒng)可靠性，不僅對控制芯片提出了更高的要求，而且對電路的設(shè)計提出了嚴格的要求。

2）為了保證該系統(tǒng)的可擴展性和實用性，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。從而能方便實現(xiàn)逆變、電機閉環(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)計中要綜合考慮和設(shè)計，不僅要保證硬件設(shè)計的正確性和穩(wěn)定性，還要充分考慮系統(tǒng)的需求。

針對以上實際情況，在硬件和軟件設(shè)計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)計程序結(jié)構(gòu)。

2.1 控制芯片特點

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

1）它的運行速度為300MHz，采用兩級緩沖存儲器結(jié)構(gòu)，相對而言，它的存儲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算的工業(yè)控制系統(tǒng)，方便實現(xiàn)復雜的控制算法。SVPWM 的實現(xiàn)過程中有大量的運算，通過使用該款DSP芯片可縮短計算時間，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2）優(yōu)良的內(nèi)部浮點架構(gòu)，大大簡化了編程，縮短了程序代碼長度和執(zhí)行時間。傳統(tǒng)的定點型DSP只能表示整數(shù)，對數(shù)據(jù)小數(shù)位的表示需要采用別的方式，編程復雜并且易出錯。同時復雜的程序運行增加了程序執(zhí)行的時間，占用了存儲器的空間，使系統(tǒng)的控制精度降低。浮點運算有效解決了這一個問題，減少了針對數(shù)據(jù)運算的編程工作，簡化了程序。

3）有3路高精度PWM輸出，能靈活進行相關(guān)配置死區(qū)時間、觸發(fā)方式以及占空比等方面信息。傳統(tǒng)的PWM輸出是通過粗糙步長，而HRPWM輸出則是通過微觀邊緣定位（MEP）方式，MEP邏輯將傳統(tǒng) PWM產(chǎn)生單元的粗糙系統(tǒng)時鐘配置為更加細小的單元，HRPWM能通過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)控制要求和實際情況，選用了LEM公司生產(chǎn)的電流傳感器，測量范圍為：0～100A，將輸出經(jīng)過運放電路后調(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

主電源通過直流電源供電，通過DSP對智能功率模塊（IPM）進行控制，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600V，最大通過電流為20A，基本滿足系統(tǒng)要求，同時該IPM集成了相關(guān)驅(qū)動電路，設(shè)計有過電壓，過電流，過熱等檢測電路，能為系統(tǒng)提供相關(guān)的保護。使用時只要在PWM信號和IPM控制端口之間加入簡單的光電隔離電路。加入智能功率模塊后整個電路設(shè)計更加簡潔，實現(xiàn)變得簡單，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

軟件分為兩個模塊：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對系統(tǒng)的外設(shè)硬件進行初始化。SVPWM 中斷服務(wù)程序采用定時器中斷，依據(jù)設(shè)定的頻率來產(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 實驗結(jié)果

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

圖4 硬件設(shè)計圖

為了測試系統(tǒng)，在三相輸出加入了永磁同步電機作為負載進行測試。實驗用永磁同步電機采用了浙江某電機公司生產(chǎn)的永磁同步電機電機，額定功率為500W，允許供電范圍為38～380V，有兩個對極，允許轉(zhuǎn)速范圍為300～3000r/min。其具體參數(shù)如表1所示。

表1 永磁同步電機參數(shù)表

在使用設(shè)計的逆變系統(tǒng)對該永磁同步電機進行空間矢量脈沖調(diào)制的控制，在電機運行穩(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 加入電機負載后A相電流

在永磁同步電機作為負載的穩(wěn)定運行后，由上圖A相電流可以看出電流成正弦，有所波動，但是相對穩(wěn)定在了±2A的這個范圍內(nèi)，同時在固定頻率下電機運行穩(wěn)定正常。

通過使用基于TMS320C6747的SVPWM的逆變模塊，永磁同步電機能實現(xiàn)它的穩(wěn)定運行和輸出。說明該SVPWM實現(xiàn)方法的正確性和實用性。

4 結(jié)論

文章通過對SVPWM的研究，采用了DSP作為核心控制芯片，設(shè)計了相關(guān)電路的外設(shè)和相關(guān)控制算法，最后實驗驗證了該系統(tǒng)的正確性和實用性。

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)計了 SVPWM 輸出的逆變系統(tǒng)，具有良好的控制性能、實用性和可行性。

2）對整個系統(tǒng)進行了全數(shù)字化設(shè)計，實現(xiàn)方法簡單可行，具有可參考性。

[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社,2005.

[2] 韓安太,劉峙飛,黃海.DSP控制器原理及其在運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社,2003.

[3] 張珍敏,趙軍紅,等.基于SPWM和SVPWM的變頻電源仿真分析[J].通信電源技術(shù),2009,26(4)：4-7.

[4] 李華德.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003.

[5] 易龍強,戴瑜興.正弦逆變電源的數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)[J].湖南大學學報,2007,34(1)：37-42.