SPWM和SVPWM的DSP实现和谐波分析.pdf

1、第二届电工技术前沿问题学术论坛论文集S P W M 和S V P W M 的D S P 实现及其谐波分析徐蕴婕邱阿瑞袁新枚邓琦(清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京1 0 0 0 8 4)摘要交流电力推进系统的设计需满足高效率、低谐波和低噪声的要求。本文介绍了推进电机变频调速技术中的两种脉宽调制方式正弦脉宽调制(S P W M)和空间矢量脉宽调制(S V P W M)的生成原理，给出了采用数字信号处理器(D S P)T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 实现二者的具体方法，并对实验所得波形的谐波含量进行了计算与比较分析。实验结果表明，与S P W M 相比，S V P W M

2、 具有谐波畸变率低，开关损耗小以及电压利用率高等优点。本结论对提高电力推进系统的效率、削弱其谐波含量具有一定参考价值。关键词：正弦脉宽调制空问矢量脉宽调制谐波数字信号处理器中图分类号：T N 7 8 7+2R e a l i z a t i o na n dH a r m o n i cA n a l y s i so fS P W Ma n dS V P W MB a s e do nD S PX uY u 巧抱Q i uA r u iY u a nX i n m e iD e n gQ i(T s i n g h u aU n i v e r s i t yB e i j i n g1 0

3、 0 0 8 4C h i n a)A b s t r a c tA Cp o w e rp r o p u l s i o ns y s t e m sh a v et h er e q u i r e m e n t so fh i【g he f f i c i e n c y,l o wh a r m o n i c sa n dn o i s e T I l i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l e so fs i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n(S

4、P W M)a n ds p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n(S V P W M)，g i v e st h e i rr e a l i z e dm e t h o d sb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r(D S P)们M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A a n dm a k e sc o m p a r i s o ni nt e r m so fh a r m o n i ca n a l y s i s E x p e r

5、i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t hS P W M。S V P W Mh a st h ea d v a n t a g e so fl e S Sh a r m o n i cd i s m r t i o n。l o w e rs w i m h i n gl o s s e sa n dh i g h e rv o l m g ea v a i l a b i l i t yr a t i o K e y w o r d s：S P W M，S V P W M，h a r m o n i c s，D S P1

6、 引言舰船采用综合电力推进系统是现代舰船技术的一次跨越式发展，有利于舰船实现自动化、信息化和智能化。对舰船电力系统来讲，大量谐波的存在会使发电、输电和用电设备的效率降低，使电气设备出现过热，产生振动和噪音，并导致绝缘老化、使用寿命缩短，甚至发生设备故障或烧毁，谐波还会对通信设备和电子设备会产生严重干扰。所以，对于交流电力推进控制系统来说，选择合适的脉宽调制方式、优化控制策略，以便尽量减少谐波是一个必须重视的问题。为此，本文从脉宽调制技术角度，对正弦P W M(S P W M)和空间矢量P W M(S V P W M)这两种基本的脉宽调制方式进行了比较。与S P W M 相比，S V P W M

7、 虽然实现较为复杂，运算量大，但它具有谐波畸变少、开关损耗小以及国家自然科学基金资助项目(5 0 4 7 7 0 0 4)。直流电压利用率高等优点。本文介绍了采用数字信号处理器(D S P)T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 实现S P W M 和S V P W M 的原理及方法，1 M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 是1 1 公司专为电动机控制而设计的定点D S P，它具有低功耗和高速度的特点，单指令周期最短可达2 5a s，片内两个事件管理器(E v A 和E V B)模块各有8 路1 6 位P W M 输出通道川，便于推进电机驱动系统的全数字构建，可大大提高

8、调速控制的实时性、可靠性，无疑是性价比最理想的控制器之一。考虑到实际功率器件的导通与关断均需一定时间，为了避免供电逆变器上、下桥臂直通，需对其死区时间进行设置，同时，为了减小开关损耗，可选择将过窄的脉冲滤去。在此基础上，本文对生成的两种P W M 波形的谐波含量进行了计算与比较。2 原理及实现方法三相S P W M 波的生成原理是，将一组三角载波与三相对称正弦调制波进行比较，其交点即为三相逆变器3 9 8第二届电工技术前沿问题学术论坛论文集开关管导通或关断的时刻。通过改变正弦波频率，就可改变电动机供电电源的频率，从而改变电机转速；而改变正弦波幅值，则可改变输出脉冲列的宽度，从而改变输出电压值。

9、实际系统中，为减小D S P 的运算量，增强控制的实时性，常采用对称规则采样法来实现S P W M 的输出，如图1 所示。这种方法以每个三角波底点对称轴对应的时刻作为采样时刻，每个三角波周期砟只采样一次，故而L 即P W M 采样周期。由此生成的S P W M 脉宽为图1 对称规则采样法实现S P W MF i g 1S y m m e t r i c a lr e g u l a rs a m p l i n go fS P W M=手c，t n 熹D式中膨一调制比，正弦波与三角波幅值之比_ 载波比，三角波与正弦波频率之比t=忌曩(七=o,1，2，N 1)采样时刻为零矢量，其它为非零矢量。当

10、输出电压矢量U。，旋转到某扇区时，可由组成该扇区的两个非零矢量U，、u x+6 0 分别作用t l、t 2 时间构成；同时为补偿U。的旋转频率，需插入零矢量或q I I 作用时间为f o，从而使输出电压矢量运行在圆形轨迹上，如式(2)。为了尽量减小器件的开关损耗，零矢量的添加应遵循管子开关次数最少的原则。U 1 2 0(0 1 0 1-U 6 0(1 1 0)图2 基本电压空间矢量F i g 2B a s i cv o l t a g es p a c ev e c t o r s=即即寒假c 2，【T c=t,+t 2+t o(1)式中-P w M 采样周期在利用D S P 的P W M l

11、 6 引脚输出三相S P W M波时，根据桥式逆变器上、下桥臂开关管状态反相的特点，可将P W M l、3、5 设为高有效，P W M 2、4、6 设为低有效。定时器T 1 的计数方式设置为“连续增减”，作为载波信号，相应周期寄存器T 1 P R 的值初始化为载波周期的一半，即T c l 2。根据式(1)装载E V A 中比较单元的比较寄存器C M P R l 3，并使三者k 的取值互差3，从而保持三相波形互差1 2 0 0。当T l 不断增，减计数到与比较寄存器数值相匹配时，P W M 信号产生翻转，形成脉冲，一个载波周期内信号两次翻转之间的时间间隔即为相应脉宽。每周期结束后，调用中断，更新

12、C M P R l 3 值，相关引脚上输出的脉冲宽度也随之改变，从而生成三相对称S P W M 波形。S P W M 是从供电电源角度出发得到的，而S V P W M 则是从电动机角度出发得到的。S V P W M 的原理是，以三相正弦波电压供电时交流电机的理想磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而减小转矩脉动，达到较高的控制性能。在三相桥式逆变器中，三个上桥臂可以形成0 0 0 1 1 1(1：导通；0：关断)8 种开关状态的组合，分别对应8 个基本空问矢量，如图2。其中0 0 0 和1 1 1利用T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 的硬件

13、功能，可直接产生五段式S V P W M 波形，其中各基本空间矢量的切换顺序如图2 中弧线箭头所示：q 砜川。，吨，顺时针时取“一”，逆时针时取“+”，零矢量的选择则由硬件自动完成。这样，可保证每个P W M 周期中，总有一相的开关状态不变，从而有利于开关损耗的减小。具体实现上，仍采用E V A 中的比较单元，除在某些寄存器的设置与装载上有所不同外，其余与生成S P W M 波形时的设置类似，其关键步骤如下：(1)较控制寄存器C O M C O N A 第1 2 位置1，使能S V P W M 功能。(2)计算期望输出空间电压矢量，伽。在两相静止坐标系中的分量比。、U 口。(3)确定。所在扇区

14、，由此装配比较方式控制寄存器A C T R A。(4)由表l 计算两个非零基本矢量作用时间t，、f 2。(5)将t，值装入C M P R l，t l+乞值装入C M P R 2，启动定时器操作。表1 基本电压空间矢量作用时间T a b 1T h eo p e r a t i n gt i m eo fb a s i cv o l t a g es p a c ev e c t o r s第二届电工技术前沿问题学术论坛论文集表中x=，Y=(、+)，2，z=(风+)1 2利用T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 中E V A 的比较单元输出三相P W M 波时，一个很大的优点就在于可

15、通过死区控制寄存器D B T C O N A 对P W M l 6 引脚的输出设置死区时间。在桥式逆变器中，同一桥臂的上、下两只开关管工作在反相状态，但由于实际管子的导通与关断均需一定时间，其开关交替无法在瞬间完成，因而需插入一段死区时间，以确保一只管子完全关断后，另一只管子才打开，从而避免上、下桥臂开关管直通所造成的器件损毁。此外，P W M 脉冲序列中，还存在一些脉宽过窄的正负脉冲，它们会导致器件未完全导通就马上关断，或未完全关断又立即导通，一定程度上加剧了管子的开关损耗。所以，在编程时需对C M P R I 3 的值进行判断，对于过窄脉冲，将其滤除或拉平。3 实验波形及谐波分析实验采用外

16、部1 5l V I n z 晶振，经D S P 内部二倍频后，时钟频率变为3 0M H z，计数周期为3 3I l S。设两种P W M 方式载波比为3 0，P W M 采样频率(即载波频率)为3k H z，定时器T l 周期寄存器T 1 P R 值为3 0 M 3 k 2=5 0 0 0。参考三菱公司生产的智能功率模块(I P M)P S 2 1 8 6 9 中I G B T 的开关时间，设死区时间为8 邮。在装载C M P R l 3 的过程中，判断正负脉宽是否小于6 的脉冲周期，若小于，则认为是过窄脉冲，需将其滤除或拉平，即1i fC M P R x 击6=2 0 sj K 1 Z=5 0 0 0 6=3 0 0t h e nC M P R x=01i f 叫P R x 盍x 9 4=3 1 苹=5 0 0 0 x 9 4=4 7 0 0t h e nC M P R x=5 0 0 0(工=l，2，3)由此，可分别生成频率为1 0 0 H z 的三相S P W M和S V P W M 脉冲序列，如图3、图4 所示。萼3盲删时间t(5 m s 格)图3S P W M 电压波形F i