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      含三次諧波注入的SPWM在dsPIC30F單片機上的實現(xiàn)

      2011-06-23 09:49:24張加勝
      電氣技術(shù) 2011年9期
      關(guān)鍵詞:基波線電壓指針

      于 洋 張加勝

      (中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院,山東 東營 257061)

      脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)被廣泛地用于AC-DC、DC-DC 以及DC-AC變換器的開環(huán)或閉環(huán)控制中,利用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方法可使三相電壓源型逆變器(VSI)輸出幅值、頻率和相位均可控的正弦電壓。

      有三種基本的PWM方法,即自然采樣PWM、規(guī)則采樣PWM以及直接PWM。不同的PWM方法有各自的特性及優(yōu)缺點,包括實現(xiàn)的難易程度、諧波含量、最大調(diào)制比等。其中,規(guī)則采樣PWM實質(zhì)上是一個線性采樣過程,數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)比較簡單,可以很方便地通過單片機或DSP利用軟件方法來實現(xiàn)。當(dāng)用規(guī)則采樣法實現(xiàn)SPWM時,在線性控制區(qū),其調(diào)制比的范圍是0~1,且當(dāng)調(diào)制比為1時,直流母線電壓利用率僅為 86.6%;通過三次諧波注入,可以提高線性控制區(qū)的最大調(diào)制比,達(dá)到提高直流母線電壓利用率的目的。

      本文針對三相VSI,以dsPIC30F單片機為控制芯片,利用規(guī)則采樣法,實現(xiàn)三次諧波注入 PWM(THI-PWM),并給出了相關(guān)實驗結(jié)果,驗證了所用方法的正確性。

      1 三次諧波注入PWM

      圖1 三相電壓源型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

      三相電壓源型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。三相VSI的三相正弦參考信號,即調(diào)制信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式依次為

      式中,VDC為直流母線電壓的一半,V0為輸出電壓的幅值,M=V0/VDC為調(diào)制比,三相參考信號是相對于直流母線的中點0來定義的。

      將相電壓相減即可得到目標(biāo)輸出波形的基波線電壓表達(dá)式

      從以上基波線電壓信號的表達(dá)式可以看出,當(dāng)M=1時,基波線電壓的最大幅值僅為,為直流側(cè)電壓值2VDC的倍,可以認(rèn)為PWM的調(diào)制過程沒有充分利用整個調(diào)制空間。如果繼續(xù)增加調(diào)制比M以增加基波輸出電壓的幅值,將會導(dǎo)致過調(diào)制,為避免過調(diào)制,可以采用三次諧波注入的方法來增大輸出電壓值[1]。

      三次諧波注入法示意圖如圖2所示,其基本思想是在三相VSI的每一相目標(biāo)參考波形中注入一定比例的三次諧波成分,以減小相電壓的峰值,達(dá)到增大調(diào)制比同時又不會產(chǎn)生過調(diào)制的目的;此外,由于三相 VSI的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及負(fù)載的星形連接方式,三次諧波在各相橋臂之間得以消除,使得其輸出基波線電壓中不含三次諧波,這也是該方法的優(yōu)勢之一[2]。

      圖2 三次諧波注入示意圖

      注入三次諧波后,三相參考電壓波形的數(shù)學(xué)表達(dá)式依次為

      其中 γ=M3/M是一個需要優(yōu)化的參數(shù),它反映了所注入的三次諧波的比例大小,要找到一個最合適的γ值,以獲得最大的調(diào)制比同時還要保證不會產(chǎn)生過調(diào)制。根據(jù)文獻(xiàn)[3],當(dāng)γ=1/6,可以獲得線性控制區(qū)的最大調(diào)制比1.15,即通過簡單地注入幅值為基波參考電壓幅值1/6的三次諧波,就可以使調(diào)制比增加15%;另有一些研究人員提出優(yōu)化的三次諧波分量的幅值應(yīng)為基波參考電壓的25%,這樣可以減少諧波畸變,其代價是線性最大調(diào)制比從1.15下降到1.12。

      通過以上分析可以看出,三次諧波注入 PWM可使調(diào)制比增大到1.15同時不會引起過調(diào)制,從而提高了直流母線電壓的利用率。

      2 單片機實現(xiàn)

      PWM 控制方法采用規(guī)則采樣法,規(guī)則采樣法又分為對稱規(guī)則采樣法和非對稱規(guī)則采樣法,與非對稱規(guī)則采樣PWM相比,對稱規(guī)則采樣PWM的一個固有缺點是它所產(chǎn)生的額外的邊帶諧波分量會出現(xiàn)在輸出電壓頻譜中,因此非對稱規(guī)則采樣PWM要好一些[3]。本文采用非對稱規(guī)則采樣PWM。

      單片機采用 Microchip公司的電機與電源系列數(shù)字信號控制器 dsPIC30F4011,該單片機具有專門的電機控制PWM(MCPWM)模塊,PWM模塊具有三個占空比寄存器,可以產(chǎn)生6路輸出,每個輸出引腳均可互補或獨立工作;具有用于互補模式的硬件死區(qū)時間發(fā)生器;具有多種輸出模式,包括單事件模式、邊沿對齊模式、中心對齊模式等[4]。利用MCPWM模塊,在PWM中斷中改變?nèi)齻€占空比寄存器的值,可以很方便地產(chǎn)生所需的PWM波。

      產(chǎn)生正弦波最簡便的方法是使用查表法,當(dāng)然也可以使用實時計算法,但實時計算花費時間比較多,因此在程序中建立一個查找表,查找表中共有1024個離散正弦值,包含完整的360°;數(shù)據(jù)格式采用16位有符號整型格式,其中0x7FFF表示+0.999而0x8000表示-1.0。每經(jīng)過一個周期性的間隔從該表讀出正弦值,將該值經(jīng)過換算使之符合所允許的占空比范圍,然后將它寫入占空比寄存器。

      程序中利用 16位指針變量來指示數(shù)據(jù)表的當(dāng)前位置,該指針可表示完整的360°,其中 0x0000表示0°,0xFFFF表示359.9°;當(dāng)要從數(shù)據(jù)表中取值時,正弦指針的高10位被用作索引值,低六位可被視作小數(shù)位,之所以選擇用16位指針是因為這樣可以產(chǎn)生很低的調(diào)制頻率。程序中,以周期性的間隔來調(diào)節(jié)該指針,并且在每個間隔將固定的增量值加給該指針,則該指針將以固定的頻率在表中前移。舉例來說,采用異步調(diào)制,要獲得 50Hz的調(diào)制頻率,載波頻率取 2.184kHz,則正弦表指針增量值Δ=50× 216/2184,即Δ=1500,也就是說如果每次PWM中斷,將正弦指針加上1500,將會獲得50Hz的調(diào)制頻率。

      要生成三相 PWM波,通過給指針變量加上固定的偏移值來提供相位偏移,對于 16位指針,0x5555提供120°的偏移,0xAAAA提供240°的偏移;每產(chǎn)生一次 PWM中斷,將這兩個偏移值加上當(dāng)前指針變量值就可為其他兩相提供正弦指針。此外,由于采用16位運算,因此若正弦指針加上偏移值后導(dǎo)致溢出,正弦指針將會自動返回起始位置[5]。

      3 實驗結(jié)果

      圖3 PWM波形

      圖4 PWM波經(jīng)低通濾波后的波形

      實驗結(jié)果如圖 3、圖 4所示,采用非對稱規(guī)則采樣PWM法,異步調(diào)制,注入了三次諧波,載波頻率為2.184kHz,調(diào)制波頻率為50Hz。圖3中(a)與(b)均為單片機輸出的 PWM 波,頻率約為2.184kHz,(b)圖為局部放大后的結(jié)果,從中可以看出PWM波占空比變化的過程;圖4為PWM波經(jīng)RC低通濾波器濾波后的波形,其頻率為50Hz,從中可以看出三次諧波注入的效果。

      從以上實驗結(jié)果可以看出,實現(xiàn)了THI-PWM,達(dá)到了預(yù)期目的。

      4 結(jié)論

      分析了三相電壓源型逆變器采用普通規(guī)則采樣法實現(xiàn)SPWM的局限性,即直流母線電壓利用率比較低,通過簡單地注入幅值為基波參考電壓幅值1/6的三次諧波,就可使調(diào)制比增加15%。以dsPIC30F4011單片機為控制芯片,采用非對稱規(guī)則采樣法,通過軟件編程,實現(xiàn)了三次諧波注入 PWM,從實驗波形來看,所用方法是合理和正確的。

      [1]Grant, D.A., Houldsworth, J.A. The Use of Harmonic Distortion to Increase the Output Voltage of a Three-phase PWM Inverter. Trans.IEEE, 1984, IA-20(5):1224-1228.

      [2]D. C. Rus, N. S. Preda, et al. Comparative Analysis of PWM Techniques: Simulation and DSP Implementation.2010 IEEE International Conference on Automation Quality and Testing Robotics (AQTR), 2010(3):1-6.

      [3]D.G.Holmes,T. A. Lipo. Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice. New Jersey:Wiley-IEEE Press, 2003.

      [4]Microchip. dsPIC30F4011/4012 Data Sheet. Microchip Technology Inc, 2008.

      [5]何禮高.dsPIC30F電機與電源系列數(shù)字信號控制器原理與應(yīng)用.北京:北京航空航天出版社,2007:539-552.

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