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(diào)速的控制新算法，通過DSP的運(yùn)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(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)中，該算法簡潔高效，實用性強(qiáng)，能夠很容易應(yīng)用于工程實踐中。

關(guān)鍵詞：變頻；TMS320F28035；SPWM；逆變電路

1 引言

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

2 SPWM在交-直-交變頻器中的應(yīng)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(jìn)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(diào)節(jié)的交流電，對逆變電路中功率器件的開關(guān)控制一般采用SPWM控制方式。

2.2 SPWM原理

正弦波SPWM（Sinusoidally PWM）技術(shù)，就是用正弦波去調(diào)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(guī)律變化。

產(chǎn)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(jìn)行比較（斬波）。現(xiàn)在應(yīng)用較多的是利用虛擬的等腰三角形波與一個正弦波進(jìn)行比較，如圖2所示。其相交的時刻（即交點）來作為開關(guān)管“ 開 ”或“ 關(guān) ”的時刻。

圖中：t1–開關(guān)管導(dǎo)通；t2–開關(guān)管截止。

設(shè)定圖2表示的是U相電壓，t1對應(yīng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通區(qū)間，t2 對應(yīng)開關(guān)管Q1截止區(qū)間。當(dāng)PWM工作在中間對齊模式（又稱連續(xù)增減計數(shù)模式）時，可產(chǎn)生圖中的虛擬等腰三角形波。對應(yīng)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(yùn)算核，價格便宜。同樣具有增強(qiáng)型eCAN、SPI，SCI等通信接口，增強(qiáng)型eQEP正交編碼接口、增強(qiáng)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(zhǔn)子模塊；計數(shù)比較子模塊；動作限定子模塊；PWM斬波子模塊；死區(qū)控制子模塊；錯誤區(qū)域控制子模塊；事件觸發(fā)子模塊。通過寄存器配置，28035可以多達(dá)7個通道14路PWM波輸出.。

4 算法設(shè)計

4.1 設(shè)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(xiàn)，根據(jù)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(guī)律變化，就可以產(chǎn)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(diào)整，時鐘頻率為60MHZ，則周期計數(shù)值TBPRD=60 000 000/（N*FRQ）。

這里給出一個占空比的算法，設(shè)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(shù)中進(jìn)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(qū)間的正弦函數(shù)。其中a為調(diào)制系數(shù)，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(guān)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(shù)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(shù)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(jù)需要合理選擇參數(shù)N，既滿足要求又使數(shù)據(jù)取整數(shù)。

5 結(jié)語

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

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉陵順，高艷麗，等.TMS320F28335 DSP原理及開發(fā)編程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[2]張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]袁利，李斌，蔣在芳.基于TMS320F2812的三相SPWM波的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2008（3）：131-133.