基于DSP的整流器SPWM調(diào)制方法優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)

胡春龍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)是實現(xiàn)電力電子電能變換的重要技術(shù)，對提高電能質(zhì)量、改善功率器件性能和促進電力電子技術(shù)發(fā)展具有重要的推動作用，它是依靠微控制器連續(xù)的數(shù)字信號輸出實現(xiàn)對功率器件模擬電路控制的調(diào)制方式。其中正弦脈沖寬度調(diào)制(Sinusoidal PWM，SPWM)在PWM調(diào)制中應(yīng)用最為廣泛，尤其是在電力電子整流器、逆變器、開關(guān)電源等領(lǐng)域有著重要的作用[1-2]。整流器運行的可靠性和穩(wěn)定性主要取決于控制方法的先進性和調(diào)理電路設(shè)計的合理性，SPWM相對于其他采樣方法在整流器控制過程中，可以產(chǎn)生較少的諧波量、提高功率因數(shù)[3-4]。文中通過DSP設(shè)計了整流器電壓、電流調(diào)理電路并對調(diào)理電路進行計算得到輸入輸出關(guān)系，在程序里面對采樣到信號反變換得到雙極性下的正弦值與載波比較后做SPWM處理，實現(xiàn)對整流器功率器件的調(diào)制。

1 整流器的結(jié)構(gòu)模型

文中選用三相全控電壓型PWM整流器為控制對象，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，左半部分為交流電網(wǎng)側(cè)，ua、ub、uc為三相對稱交流電源，ia、ib、ic為三相對稱電流，O為電源中性點，L為網(wǎng)側(cè)交流電感，R為線路等效電阻；右半部分為整流器直流輸出端，其中S1～S6為由功率開關(guān)管IGBT組成的整流橋六個橋臂，C為直流側(cè)濾波電容，Udc為整流直流電壓，RL為輸出負載，iL為負載電流[5-6]。

圖1 三相PWM整流橋主電路結(jié)構(gòu)

功率開關(guān)管S1～S6的不同開關(guān)狀態(tài)分別對應(yīng)著整流器不同的輸出狀態(tài)，這樣直流側(cè)輸出電壓便可通過對6個功率開關(guān)管的調(diào)制來實現(xiàn)。對于上下對稱的一組橋臂，規(guī)定狀態(tài)“1”為上橋臂導(dǎo)通、下橋臂斷開，可用Sk(k=1,2,3)=1分別表示三相橋臂的“1”狀態(tài)；規(guī)定狀態(tài)“0”為上橋臂斷開、下橋臂導(dǎo)通，可用Sk(k=1,2,3)=0分別表示三相橋臂的“0”狀態(tài)[7]。

2 調(diào)理電路設(shè)計與計算

2.1 交流電壓調(diào)理電路

圖2所示為交流電壓調(diào)理電路。下面對其輸入輸出傳遞函數(shù)進行計算。

圖2 交流電壓調(diào)理電路

對于U9A輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系為：

(1)

(2)

由式(1)、式(2)變換可得：

(3)

對于U9B輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系為：

(4)

(5)

由式(4)、式(5)變換可得：

(6)

在式(6)中將調(diào)理電路中的參數(shù)值代入后得：

uo=0.8(uACU-uN)+0.5Vref

(7)

由式(7)電壓輸入輸出函數(shù)關(guān)系可知，從DSP的AD采樣端子輸入合適范圍的值(Vref參考電壓值為3V，AD采樣端子輸入電壓范圍為-1.875～1.875 V)，可在DSP端得到0～3 V采樣電壓。再在DSP程序中對采樣到的電壓信號進行反變換，得到雙極性下的正弦值，最后與載波信號比較做SPWM處理[8]。

2.2 交流電流調(diào)理電路

圖3所示為交流電流調(diào)理電路。下面對其輸入輸出傳遞函數(shù)進行計算。

圖3 交流電流調(diào)理電路

對于U7A輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系為：

u3+=u2-=iACI·R34

(8)

(9)

對于U7B輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系為：

(10)

由式(8)～式(10)變換后可得：

(11)

在式(11)中將調(diào)理電路中的參數(shù)值代入后得：

uo=10.92iACI+0.5Vref

(12)

從式(12)可知，電流傳感器輸出的電流信號應(yīng)在一定的范圍內(nèi)才能進行調(diào)制，將輸入的電流信號經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，電壓信號經(jīng)過運放調(diào)理后，變?yōu)檩斎氲紻SP的0～3 V電壓信號(參考電壓Vref為3 V，輸入電流范圍為-137.36～137.36 mA，)，最后進行反變換后做SPWM處理。

2.3 直流電壓調(diào)理電路

下圖4所示為直流電壓調(diào)理電路。下面對其輸入輸出傳遞函數(shù)進行計算。

圖4 直流電壓調(diào)理電路

對于U14_1A輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系：

(13)

(14)

對于U14_1B輸入輸出函數(shù)關(guān)系為：

uo7=u6-=u5+=uo1

(15)

對式(13)～式(15)整理后得直流電壓調(diào)理電路輸入輸出關(guān)系為：

(16)

在式(16)中將調(diào)理電路中的參數(shù)值代入后得：

uo1=1.8(uDC1-uDCN1)

(17)

從式(17)可知，電壓傳感器輸出的電壓信號應(yīng)在一定的范圍內(nèi)才能進行采樣，將采樣到的電壓信號經(jīng)過運放調(diào)理后，變?yōu)檩斎氲紻SP的0～3 V電壓信號(參考電壓Vref為3 V，輸入電壓范圍為0～1.67 V)。

3 SPWM調(diào)制方法實現(xiàn)原理

采用規(guī)則采樣法，根據(jù)載波與正弦調(diào)制波的幾何關(guān)系，在DSP事件管理器EV中推算出比較寄存器CMPR、周期寄存器T1PR和采樣時刻正弦函數(shù)值之間的關(guān)系。通過每次在不同的時刻采樣到不同的正弦函數(shù)值來實時改變比較寄存器CMPR的值，從而改變了脈沖信號占空比，調(diào)制波下對應(yīng)的正弦函數(shù)采樣值由算法公式直接求取[9]。

AD采樣通過DSP事件管理器EVA中的周期中斷T1進行啟動，對AD通道ADCINA0-ADCINA7和通道ADCINB0-ADCINB7模擬量進行采樣轉(zhuǎn)換，設(shè)置采樣頻率為10 kHz，采樣信號頻率為50Hz。

通過MCGS觸摸屏與DSP之間的Modbus協(xié)議，利用4區(qū)輸出寄存器讀寫對DSP下發(fā)數(shù)據(jù)，在DSP中對該地址下的下發(fā)數(shù)據(jù)進行觀測，通過在DSP中對觀測值的修改同時也可在觸摸屏中觀測到相應(yīng)的變化，利用3區(qū)輸入寄存器只讀對DSP中的數(shù)據(jù)進行顯示，并在觸摸屏中進行觀測。

4 Modbus串行通信協(xié)議

為了實現(xiàn)MCGS觸摸屏與DSP的通信，采用串行通信接口SCI和Modbus協(xié)議對數(shù)據(jù)進行中斷接收和查詢發(fā)送。Modbus協(xié)議中，共包含4種寄存器區(qū)(1區(qū)、0區(qū)、3區(qū)、4區(qū))和多種功能碼，不同功能碼代表對不同寄存器區(qū)數(shù)據(jù)的不同操作[10]。本設(shè)計只用到了3區(qū)和4區(qū)及其各功能碼。3區(qū)為輸入寄存器，讀取功能碼04；4區(qū)為輸出寄存器，讀取功能碼為03、06，寫入功能碼為16。圖5為SCI與CPU的接口連接。

圖5 SCI與CPU接口

從圖5中可以看出，串行通信模塊共有兩個引腳，分別為實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送的SCITXD引腳和實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的SCIRXD引腳。這兩個引腳分時復(fù)用，分別與GPIOF模塊的第4位、第5位對應(yīng)。在初始化編程時，需要將寄存器GPIOFMUX寄存器中的第4位和第5位置1，否則這兩個引腳就是通用的數(shù)字I/O口。

5 SPWM調(diào)制方法實現(xiàn)過程

(1)配置DSP的GPIO口、EV中PWM輸出模式、AD采樣模式和使能相應(yīng)的外設(shè)。通過周期寄存器T1設(shè)置載波的頻率為10 kHz，調(diào)制波頻率為50 Hz，所以載波比N=200。將調(diào)制波和載波幅值比設(shè)置成0.8，即調(diào)制度M=0.8。

(2)根據(jù)對稱規(guī)則采樣法的相關(guān)幾何關(guān)系可知開通時間為：

(18)

而脈寬調(diào)制的軟件實現(xiàn)就是不斷地去改變比較寄存器CMPR的值，所以在此Ton對應(yīng)的是DSP事件管理器EV中CMPR1的值，載波周期Tr對應(yīng)的是2T1PR的值，這樣由式(18)可以得到第k次采樣下比較寄存器值為：

(19)

通過DSP調(diào)用數(shù)學(xué)函數(shù)sinx來計算200次采樣點。

(3)在ADC中斷函數(shù)中，對采樣次數(shù)進行統(tǒng)計，當采樣次數(shù)達到10000/50=200次時，做均值運算和有效值運算。在DSP控制板中引入0 V和3.3 V兩個電壓信號分別加入16路采樣通道中，將運算后的數(shù)值引入DSP的觀測窗口Watch Window中，對各個采樣通道進行觀測。由于從AD測試中發(fā)現(xiàn)，交流電壓、電流波形通過AD調(diào)理電路后均有所抬升，所以本設(shè)計將一正弦波峰峰值為6 V、頻率為50 Hz的波，接入AD采樣端子上，經(jīng)過調(diào)理到達DSP的信號為0～3 V，數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系為y=1.5+0.5x。

(4)由于AD采樣到的點要與載波比較，所以在程序中必須將DSP采樣到的0～3 V信號進行反變換后轉(zhuǎn)換為實際輸入信號-3～3 V，數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系為y=2x-3。由式(7)可知，當取參考電壓為3 V時對應(yīng)關(guān)系為0～1.5 V和1.875～3 V，所以輸入到A相電壓的幅值又為1.875 V。分別將上面得到幅值為3 V和1.5 V的傳遞函數(shù)帶入式(19)中，通過示波器觀測PWM1-PWM12的波形。

(5)在MCGS組態(tài)環(huán)境下，建立工程并進行工程組態(tài)。設(shè)備組態(tài)，在設(shè)備窗口選擇通用串口父設(shè)備，在其下建立子設(shè)備0--莫迪康ModbusRTU，并對波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)進行設(shè)置。在實時數(shù)據(jù)庫中新增4個變量名，分別為A相電壓平均值、A相電壓有效值、B相電壓有效值、調(diào)制度。在設(shè)備窗口中，新增4個設(shè)備通道，分別索引到3區(qū)下的地址3WUB0003、3WUB0004、3WUB0005中和4區(qū)下的地址4WUB0003中，并將新增的4個變量分別索引到該通道地址下。在觸摸屏中通過輸入框設(shè)置調(diào)制度M的值，輸出框可以顯示出相電壓均值和有效值。

6 仿真實驗?zāi)Ｐ痛罱?/h2>

為驗證設(shè)計方法的可行性，在MATLAB/Simulink中建立了系統(tǒng)仿真模型并以DSP為控制器搭建了硬件實驗平臺，圖6所示為建立的系統(tǒng)模型。

圖6 系統(tǒng)模型建立

系統(tǒng)模型搭建完成后設(shè)置相應(yīng)的仿真實驗參數(shù)，如表1所示。

表1 仿真實驗參數(shù)設(shè)定

7 仿真與實驗結(jié)果分析

圖7所示為交流側(cè)A相輸入電壓與電流曲線仿真結(jié)果，從圖中可以看出電流能夠在較短的時間內(nèi)與電源電壓保持同相位、同頻率，跟隨時間約為0.01 s，具有較強的快速性和跟隨性。

圖7 A相電壓電流曲線對比

為了比較SPWM優(yōu)化調(diào)制的優(yōu)越性，仿真中與SVPWM調(diào)制進行了比較，給定直流電壓為650 V，圖8所示為兩種不同調(diào)制下的輸出電壓曲線仿真對比。

從圖8可以看出，采用SPWM調(diào)制時，調(diào)節(jié)時間約為0.012 s，輸出在0.015 s時達到給定值;采用SVPWM調(diào)制時，調(diào)節(jié)時間約為0.02 s，輸出在0.023 s時達到給定值，系統(tǒng)響應(yīng)低于SPWM調(diào)制且具有較大的電壓超調(diào)量(約為45%)。

圖8 SPWM與SVPWM調(diào)制下輸出電壓比較

在搭建了系統(tǒng)硬件平臺后，圖9所示為按電壓調(diào)理電路輸入輸出關(guān)系采樣下的SPWM實驗波形。

圖9 SPWM實驗波形

由圖9可以看出輸出的SPWM波形頻率為10 kHz，占空比周期性變化。從電壓調(diào)理電路中可以看出在DSP輸入端設(shè)有0～3.3 V電壓，所以凡是在DSP輸入端大于3.3 V的電壓也可以有效通過。這樣就不能通過測量兩個點來確定輸入輸出關(guān)系了，只能根據(jù)采樣調(diào)理電路進行確定，經(jīng)過對采樣電路硬件的測試發(fā)現(xiàn)，測試結(jié)果與原理圖輸入輸出傳遞函數(shù)關(guān)系一致。

圖10所示為MCGS觸摸屏界面，通過輸入框可以對調(diào)制度進行設(shè)置，輸出框分別顯示A相電壓平均值、A相電壓有效值和B相電壓有效值。

圖10 MCGS顯示界面

8 結(jié)束語

以PWM整流器為研究對象，設(shè)計了系統(tǒng)控制的硬件調(diào)理電路，按照規(guī)則采樣法完成系統(tǒng)軟件參數(shù)的配置，以T1的周期中斷事件啟動ADC轉(zhuǎn)換，通過定時器T1產(chǎn)生周期匹配事件，在T1CNT的值等于T1PR的值時，T1周期中斷標志位置位，同時產(chǎn)生一個ADC啟動信號，實現(xiàn)SPWM的調(diào)制處理。最后搭建了仿真模型和實驗平臺，通過仿真和實驗驗證了系統(tǒng)輸出的可靠性和正確性。