基于DSP 的閉環SPWM的實現方法

耿后來，吳衛民，陳建明，李春龍

（1.上海海事大學電力傳動與控制研究所，上海200135 ；2.廣州國新電子科技有限公司，廣東 廣州510000）

0 引 言

模擬控制技術經過多年的發展已趨成熟，然而模擬控制因其硬件固有的缺點以及不易實現先進的控制策略而制約了逆變器的發展。數字化控制能消除模擬系統中控制參數易漂移等缺點，因而能更好地提高系統的穩定性。隨著高速數字信號處理器DSP 的問世，數字控制系統以其高速性、通用性、控制靈活和可實現先進控制算法等優點，成為了現代電力電子技術發展的主導思想。

本文基于TMS320LF2407 數字信號處理器，給出了產生SPWM波形的方法，數字PID 實現、電壓單閉環控制策略以及PI 算法的實現，通過搭建一逆變器，運用DSP 實現了閉環SPWM控制。

1 系統基本結構

圖1 所示為單相全橋逆變器數字控制系統框圖。逆變器以TI 公司的數字信號處理器TMS320LF2407為控制核心，采用雙極性SPWM控制，選取IPM功率模塊作為開關器件。

DSP 通過A／D 轉換模塊實現對輸出電壓的采樣，經過電壓閉環PI 控制，數字基準給定與進行A／D轉換后的反饋信號相減，其差值進行PI 調節后，再與片內定時器產生的三角載波交截，輸出帶有死區的控制信號，經功率驅動模塊放大，驅動單相逆變器開關器件輸出正弦電壓，此外為了防止IPM模塊因過熱過流而損壞，對系統還加了過熱過流保護。

圖1 單相全橋逆變器數字控制框圖

2 軟件實現

2.1 SPWM 控制的 基本原 理［1 ，4 ，6］

SPWM控制模式主要有自然采樣法和規則采樣法。自然取樣法的主要問題是SPWM波形每一個脈沖的起始和結束時刻對于三角載波的中心線不對稱，因而求解困難，同時這種方法還占用大量內存，因此通常采用規則采樣。如圖2 所示，使每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，這樣則使得計算大大簡化。若以單位量1 代表三角載波的幅值Utri，則正弦波的幅值Um就是調制度m，m＝Um／Utri，再由圖2 的幾何關系可求出脈寬時間為：

對于DSP 采樣而言，若一個周期內采樣n 個點，則第i 個脈沖的占空比D為：

圖2 SPWM調制示意圖

式中，N為載波比，為開關頻率fk和工頻fg的比值即

2.2 SPWM 波形的 DSP 實現［1－5］

利用DSP 中的事件管理模塊（EVA／B）可以產生PWM脈沖。DSP 中的三角載波是通過將設置定時器為連續增／減計數模式來實現的，將正弦波制成表格，設定好定時器之后，在每個開關周期，程序從參考正弦波表中讀取相應數字量作為給定，減去A／D 轉換后的反饋電壓，進行PI 調節后將輸出值賦給比較寄存器CMPRx。定時器從0開始遞增計數到周期值TxPR，接著從TxPR 遞減計數到0，然后開始下一個周期。定時周期計算如下式：

式中，fM為DSP 的時鐘頻率；fk為開關管的頻率，即輸出PWM的頻率。

對于高有效PWM輸出端口，當計數值上升到比較值CMPRx 時，輸出高電平；當計數值下降到比較值CMPRx 時，則輸出為低電平。為了避免逆變橋的同一組橋臂的上下開關器件直通，兩路互補的PWM信號必須設置死區時間。通過設定死區時間寄存器（DBTCONx），TMS320LF2407 可以實現死區時間的設置，本文取1 μs 。

2.3 增量式數字 PI 實現［2 ，7］

計算機只能處理離散的數字量，在采集輸入信號時，必須先將連續的模擬量轉換成離散的數字量；輸出則是把離散的數字量轉換為連續的模擬量。對于連續PID 控制表達式：

式中，TD為微分時間常數；TI為微分時間常數。

采樣控制系統用采樣時刻的偏差值來計算控制量，因此控制規律公式用數值計算的方法近似，并表示為遞推形式的增量算法：

對于增量式PI ，則KD為0，則增量式PI 中

通常的PID 為：

則當TD為零時，

求出α、β，經過定標后即可。PI 的控制框圖如圖3所示。

圖3 PI 控制框圖

2.4 系統控制方案

系統分主程序和中斷服務程序兩部分，中斷服務流程框圖如圖4 所示。主程序主要為：對系統常量、變量、事件管理器、A／D 轉換模塊進行定義，開中斷后循環等待中斷到來，中斷到來則執行中斷服務流程。

圖4 中斷服務流程框圖

圖5 系統閉環輸出波形

3 實驗結果及結論

根據以上程序思路編寫了電壓閉環程序，并且搭建了單相逆變器，實際測得輸出波形如圖5 所示?？梢?，輸出電壓為正弦波形，并且由圖示波形可看出其周期為20 ms ，這樣的結果與程序中的設定完全相吻合，從而也驗證了軟件設計思想的正確性。顯然這種方法還能夠應用在具有相似要求的其他領域之中，具有較大的實用價值。

［1］何蘇勤，王忠勇.TMS320C2000 系列DSP 原理及應用技術［M］.北京：電子工業出版社，2003.

［2］鄭 紅，隋強強，周 星.DSP 應用系統設計實例［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［3］趙世廉.TMS320X20240xDSP 原理及應用開發指南［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［4］許德鴻.電力電子技術系統建模及控制［M］.北京：機械工業出版社 ，2005.

［5］魏 光，李群湛.基于DSP 的SPWM 優化算法研究［J ］.微計算機信息，2008 ，24 ，11－2.

［6］瞿成明，陳 進，江 明，周 俊.SPWM波形發生器DSP 實現的一種方法［J ］.機電工程技術，2007 ，36（1）：69－71.

［7］陶永華.新型PID 控制及其應用［M］.北京：機械工業出版社，2005.