用單片機實現(xiàn)SVPWM合成

..來源:凌陽單片機推廣中心

牟聯(lián)樹用單片機實現(xiàn)SVPWM合成前言隨著計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展,變頻驅(qū)動技術(shù)憑借其優(yōu)異的性能,在當(dāng)今交流調(diào)速領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。

變頻驅(qū)動主要使用的驅(qū)動波形主要有SPWM和SVPWM兩種。SPWM原理簡單、實現(xiàn)容易,是現(xiàn)在使用最廣的一種變頻驅(qū)動波形。但其有一個致命的弱點是其電源利用率不高〔只有86%、諧波成分大。因此,在新近開發(fā)的產(chǎn)品中其應(yīng)用逐漸被性能優(yōu)異的SVPWM所取代。SVPWM是一種電壓利用率、低諧波成分的變頻驅(qū)動波形,還有開關(guān)次數(shù)少、功率管功耗小等特點。同時,SVPWM還能很好的結(jié)合矢量控制算法、以最大限度的發(fā)揮設(shè)備的性能。因此被越來越多的變頻設(shè)備所采用。芯片簡介SPMC75系列MCU是凌陽科技公司設(shè)計開發(fā)的高性能16位通用MCU,具有很強的抗干擾能力、豐富易用的資源以及優(yōu)良的結(jié)構(gòu),特別是增強的定時計數(shù)器和PWM輸出功能。

SPMC75系列MCU使用凌陽u’nSP內(nèi)核,u’nSP內(nèi)核是一種高效的16位CISC內(nèi)核。支持乘法、乘法累加、32/16位除法、FIR等高性能運算;支持兩種中斷模式。可以方便的產(chǎn)生SPWM波、空間電壓向量PWM〔SVPWM等各種電機驅(qū)動波形。

除了擁有高性能的CPU外,SPMC75系列MCU還集成了多種功能模塊：多功能I/O口、同步和異步串行口、高性能ADC、普通的定時計數(shù)器、多功能的捕獲比較模塊、BLDC電機驅(qū)動專用位置偵測接口、兩相增量編碼器接口、能產(chǎn)生各種電機驅(qū)動波形的PWM發(fā)生器等。同時,SPMC75系列單片機內(nèi)部集成了32KWords的Flash和2KWords的SRAM。

利用這些硬設(shè)支持,SPMC75系列單片機可以完成諸如家用電變頻驅(qū)動、標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)變頻驅(qū)動器、多環(huán)的伺服驅(qū)動系統(tǒng)等復(fù)雜應(yīng)用。SVPWM合成原理如圖1-1所示的三相逆變橋中六個開關(guān)管有8種允許的開關(guān)組合,其中有6種有效的開關(guān)組合,稱為非零基本空間電壓矢量;有2種為無效開關(guān)狀態(tài),稱為零空間電壓矢量。當(dāng)逆變器單獨輸出六種基本電壓空間矢量時,電動機的定子磁鏈?zhǔn)噶康氖付说倪\動軌跡是一個正六邊形,如圖1-2所示。顯然,按照這樣的供電方式只能形成正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場,而不是我們希望的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

怎樣獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場？一個思路是,如果在定子里形成的旋轉(zhuǎn)磁場不是正六邊形,而是正多邊形,我們就可以得到近似的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。顯然,正多邊形的邊數(shù)越多,近似的程度就越多。但是非零的基本電壓空間矢量只有六個,如果相獲得盡可能多的多邊形旋轉(zhuǎn)磁場,就必須有更多的逆變器開關(guān)狀態(tài)。下面介紹這種線性時間組合方法。

在圖1-3中和代表相鄰的兩個基本電壓空間矢量;是輸出的參考相電壓矢量,其幅值代表相電壓的幅值,其旋轉(zhuǎn)角速度就是輸出正弦電壓的角頻率?？梢杂珊途€性時間組合來合成,它等于倍的和倍的的矢量和。其中分別是和作用的時間;是作用的時間。按照這種方式,在下一個期間,仍然用和的線性時間組合,但作用的時間t1''和t2''與上一次的不同,它們必須保證所合成的新的電壓空間矢量''與原來的電壓空間矢量的幅值相等。

如此下去,在每一個期間,都改變相鄰的基本矢量的時間,并保證合成的電壓空間矢量的幅值都相等,因此,在取足夠小時,電壓空間矢量的軌跡是一個近似圓形的正多邊形。

開關(guān)時間的計算如上面所述,線性時間組合的電壓空間矢量是倍的和倍的的矢量和,即：式中,可以事先選定;可以由U/F曲線確定;可以由輸出正弦電壓的角頻率w和的乘積確定。因此,當(dāng)已知兩相相鄰的基本電壓空間矢量和后,就可以根據(jù)〔式1-13來確定。還有另一種確定的方法。當(dāng)、和投影到平面直角坐標(biāo)系dq中時,〔式1-10可以寫成：當(dāng)已知逆陣和在平面直角坐標(biāo)系dq中的投影后,就可以確定。

當(dāng)逆變器單獨輸出零矢量O000和O111時,電動機的定子磁鏈?zhǔn)噶渴遣粍拥?。根?jù)這個特點,在期間插入零矢量t0,使：通過這樣方法,可以調(diào)整角頻率w,從而達(dá)到變頻的目的。添加零矢量是遵循使功率開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)最少的原則來選擇O000或O111。為了使磁鏈的運動速度平滑,零矢量一般都不是集中地加入,而是將零矢量平均分成幾份,多點地插入到磁鏈軌跡中,但作用的時間和仍為,這樣可以減少電動機轉(zhuǎn)矩的脈動。經(jīng)上述合成方法,最終將得到如圖1-5所示的七段式電壓空間矢量PWM波形。點擊看原圖SVPWM在SPMC75上的實現(xiàn)SPMC75系列MCU內(nèi)部集成的MCP定時器可以方便的產(chǎn)生SVPWM,圖1-6所示是用SPMC75實現(xiàn)SVPWM合成的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)包括PWM發(fā)生模塊、空間向量變換等幾部分。圖中的PWM發(fā)生器使用SPMC75的MCP定時器實現(xiàn),MCP定時器內(nèi)部具有多組比較匹配硬件,系統(tǒng)軟件只需要將算出的三個SVPWM合成所需的定時時間值送入相應(yīng)的比較匹配寄存器就可。MCP可以自動輸出所需的三相六路的互補SVPWM;同時,MCP內(nèi)部集成死區(qū)插入硬件和系統(tǒng)保護邏輯,以最大限度減小用戶開發(fā)難度。點擊看原圖空間向量變換部分主要實現(xiàn)向量變換、扇區(qū)計算和矢量時間計算幾種功能,這部分使用軟件方式實現(xiàn)。其計算出的時間直接送到PWM發(fā)生器就可以輸出所需的PWM波形。框圖中的其它部分也使用軟件實現(xiàn)。

SPMC75所使用的u’nSP內(nèi)核內(nèi)部集成有硬件乘法器,擁有專用的乘法累加操作指令。對整個SVPWM的合成提供了極大的幫助。在24MHz系統(tǒng)時鐘時,實現(xiàn)整個SVPWM合成算法只需要21us的運算時間。

結(jié)語凌陽科技公司新推出SPM