基于TMS320F28234的SVPWM等效方法在逆變系統中的應用

方志鵬，金蘇江

（1.蘇州工業園區職業技術學院 江蘇 蘇州 215123;2.蘇州電器科學研究院股份有限公司 江蘇 蘇州 215011）

目前逆變電源的調制方式較為流行的有兩種，即基于載波的正弦波脈寬調制 （SPWM）和空間矢量脈寬調制（SVPWM）[1-3]，其中空間矢量脈寬調制（SVPWM）具有電壓諧波小、電流畸變小、直流電壓利用率高、易于數字化實現的特點[4-5]，已經得到越來越廣泛的應用。普通SVPWM計算方法看似簡單，但只能得出各個矢量的作用時間，在此作用時間上計算實際各相位的導通和關閉時間，還需要經過一系列的復雜變換，難以實現。經過一系列的研究[6-8]，載波PWM的SVPWM等效實現方法可以很好的解決這一難題，該方法是將零序分量引入正弦波作為等效調制波，再對該調制波進行對稱規則采樣生成PWM。

1 TMS320F28234簡介

TMS320F28234是美國TI公司生產的高性能DSP芯片，它采用高性能靜態CMOS技術、哈佛總線架構，具有快速中斷響應及處理能力，時鐘頻率高達150 MHz。同時還具有多達18個脈寬調制（PWM）輸出、6個eCAP及6個ePWM，16通道的12位模數轉換器（ADC）也是其標準配置，轉換時間只有80ns，速度極快。其超強的浮點運算能力使其能夠進行高精度的控制，非常適合應用于對控制精度要求很高的場合。

2 基于載波PWM的兩電平單相SVPWM的實現

SVPWM的基本原理[2]是平均值等效原理，即由逆變器三相橋臂的開關狀態，形成三相交流電壓，將該三相電壓通過克拉克變換后形成兩相電壓。根據伏秒平衡原理[9]，控制電壓矢量的作用時間來合成所需的空間電壓矢量，進而由空間電壓矢量的作用時間決定逆變器的開關狀態，并形成所需的PWM波形。該基本原理已為大家所熟知，在此不再贅述。

2.1 兩電平單相SVPWM方法

兩電平單相逆變器有4種開關狀態，對應的基本空間矢量如圖1所示。

圖1 電壓空間矢量圖Fig.1 Voltage space vector diagram

設兩相參考電壓為：

a，b的不同開關狀態形成的離散線電壓矢量為：

單相電壓所組成的空間矢量U=(Uab，Uba)T，全部落在x+y=0上，以x+y=0為α軸、以 x-y=0確定 β軸，將αβ平面轉換到xy平面，可得：

其中C為轉移矩陣。

2.2 兩電平單相SVPWM的基于載波PWM的實現方法

將零序電壓分量Uz加入參考電壓可得：

圖2 單相SVPWM和載波PWM波形Fig.2 Single-phase SVPWM and carrier PWM waveform

SVPWM方法的基于載波PWM算法的統一表達式為：

式中SPWM為空間脈寬調制，CSVPWM為連續空間矢量脈寬調制，DPWM為不連續空間矢量脈寬調制。

得到零序分量Uz后，結合之前的參考電壓波形，便可得到等效載波PWM，對該載波進行對稱規則采樣，進而求出PWM的脈寬，最后計算開關狀態切換時間。

3 仿真及實驗結果分析

3.1 仿真

由兩電平下SVPWM方法與載波PWM方法的內在統一性，可給出基于載波PWM的統一SVPWM算法流程，如圖3所示。

在Matlab/Simulink環境下進行仿真，得出如圖4所示的A相等效調制波*等效階梯波及其PWM開關信號的波形，其中取m=1，圖4從左至右分別為單相情況下，ξ=0.5時的準優化SVPWM，ξ=0時的不連續DPWMmax，ξ=1時的不連續。

圖3 兩電平單相SVPWM算法流程圖Fig.3 Two-level single-phase SVPWM algorithm

3.2 實驗

實驗電路原理框圖如圖5所示，由于電網逆變時的直流母線電壓大于整流器輸出的最大電壓因此電網電壓必需先降壓，處理完成后再通過變壓器并入電網。

首先由主控制電路（DSP）和驅動、整流、逆變及濾波等組成開環逆變系統，對載波PWM的SVPWM等效實現方法進行實驗驗證。用示波器測得A、B兩相的PWM波形如圖6所示，上面為A相PWM波形，下面為B相PWM波形，圖6自左向右分別為 ξ=0.5、ξ=0、ξ=1。 由圖4～圖 6可見仿真和實驗結果的一致等效性。

圖4 等效調制波、階梯波及PWM開關信號Fig.4 Equivalent modulation wave、staircase wave and PWM switch signal

圖5 實驗硬件原理框圖Fig.5 Block diagram of experimental hardware

然后根據圖5的硬件原理框圖進行有源逆變閉環系統實驗，驗證有源逆變的方法與過程。由于并入市電電網，所以頻率捕獲與相位追蹤的頻率為50 Hz。在此基礎上，進行有源逆變閉環實驗，電網電壓與輸出電流波形如圖7所示。

由圖7可以看出，電網電壓與輸出電流的波形具有很好的同相跟隨性，再次驗證了該方法的可行性與正確性。

4 結論

圖6 A、B相PWM開關信號波形Fig.6 A,B phase PWM switch signal waveform

圖7 電網電壓與輸出電流Fig.7 Grid voltage and output current

根據載波PWM和SVPWM之間的內在關系，給出了一種基于載波PWM的兩電平單相逆變器統一SVPWM實現方法。該方法利用零序分量表達式計算出PWM的脈寬，從而得出開關狀態的切換時間，易于在DSP系統上實現。仿真及實驗結果證明了所述方法的正確性和可行性?？傊?，基于TMS320F28234的SVPWM等效方法在逆變系統中的應用是切實可行的。

[1]Mirafzal B,Saghaleini M,Kaviani A K.An SVPWM-based switching pattern for stand-alone and grid-connected threephase single-stage boost inverters [J].IEEE Trans on Power Electronics,2011,26(4):1102-1111.

[2]Vafakhah B,Salmon J,Knight A M.A new space-vector PWM with optimal switching selection for multilevel coupled inductor inverters [J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2010,57(7):2354-2364.

[3]Iqbal A,Ahmed S M,Abu-Rub H.Space vector PWM technique for a three-to-five-phase matrix converter[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics,2012,48(2):697-707.

[4]張健,賈曉霞,牛維,等.基于SVPWM變頻器的Matlab仿真及硬件實現[J].電氣傳動自動化,2009,31(1):10-14.ZHANG Jian,JIA Xiao-xia,NIU Wei,et al.Matlab simulation and hardware realization of SVPWM frequency converter[J].Electric Drive Automation,2009,31(1):10-14.

[5]張超,于巖,張義君,等.SVPWM逆變器輸出電壓諧波分析[J],煤礦機械,2011,32(6):115-118.ZHANG Chao,YU Yan,ZHANG Yi-jun,et al.Output voltage harmonic analysis of SVPWM inverter [J].Coal Mine Machinery,2011,32(6):115-118.

[6]喬英杰,徐建城,王海峰.基于DSP生成SVPWM在逆變電源中的應用研究[J],微電機,2006,39(3):44-53.QIAO Ying-jie,XU Jian-cheng,WANG Hai-feng.Research on application of inverter power source based on DSP Producing SVPWM [J].Micromotors Servo Technique,2006,39(3):44-53.

[7]Mirkazemi-Moud M,Green T C,Williams B W.Analysis and comparison of real-time sine-wave generation for PWM circuits[J].IEEE Trans on Power Electronics,1993(1):46-54.

[8]任先文,王坤,張俊豐,等.基于TMS320F28335的SVPWM實現方法[J].電力電子技術,2010,44(7):76-78.REN Xian-wen,WANG Kun,ZHANG Jun-feng,et al.The method of SVPWM realization based on TMS320F28335[J].Power Electronics,2010,44(7):76-78.