基于TMS320F28234的SVPWM等效方法在逆變系統(tǒng)中的應(yīng)用

方志鵬，金蘇江

（1.蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215123;2.蘇州電器科學(xué)研究院股份有限公司 江蘇 蘇州 215011）

目前逆變電源的調(diào)制方式較為流行的有兩種，即基于載波的正弦波脈寬調(diào)制 （SPWM）和空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）[1-3]，其中空間矢量脈寬調(diào)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(shù)字化實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)[4-5]，已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通SVPWM計(jì)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(jì)算實(shí)際各相位的導(dǎo)通和關(guān)閉時間，還需要經(jīng)過一系列的復(fù)雜變換，難以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過一系列的研究[6-8]，載波PWM的SVPWM等效實(shí)現(xiàn)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(diào)制波，再對該調(diào)制波進(jìn)行對稱規(guī)則采樣生成PWM。

1 TMS320F28234簡介

TMS320F28234是美國TI公司生產(chǎn)的高性能DSP芯片，它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)、哈佛總線架構(gòu)，具有快速中斷響應(yīng)及處理能力，時鐘頻率高達(dá)150 MHz。同時還具有多達(dá)18個脈寬調(diào)制（PWM）輸出、6個eCAP及6個ePWM，16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）也是其標(biāo)準(zhǔn)配置，轉(zhuǎn)換時間只有80ns，速度極快。其超強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力使其能夠進(jìn)行高精度的控制，非常適合應(yīng)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(shí)現(xiàn)

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(guān)狀態(tài)，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(jù)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(jìn)而由空間電壓矢量的作用時間決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，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(guān)狀態(tài)，對應(yīng)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(shè)兩相參考電壓為：

a，b的不同開關(guān)狀態(tài)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(zhuǎn)換到xy平面，可得：

其中C為轉(zhuǎn)移矩陣。

2.2 兩電平單相SVPWM的基于載波PWM的實(shí)現(xiàn)方法

將零序電壓分量Uz加入?yún)⒖茧妷嚎傻茫?/p>

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(tǒng)一表達(dá)式為：

式中SPWM為空間脈寬調(diào)制，CSVPWM為連續(xù)空間矢量脈寬調(diào)制，DPWM為不連續(xù)空間矢量脈寬調(diào)制。

得到零序分量Uz后，結(jié)合之前的參考電壓波形，便可得到等效載波PWM，對該載波進(jìn)行對稱規(guī)則采樣，進(jìn)而求出PWM的脈寬，最后計(jì)算開關(guān)狀態(tài)切換時間。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 仿真

由兩電平下SVPWM方法與載波PWM方法的內(nèi)在統(tǒng)一性，可給出基于載波PWM的統(tǒng)一SVPWM算法流程，如圖3所示。

在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真，得出如圖4所示的A相等效調(diào)制波*等效階梯波及其PWM開關(guān)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(zhǔn)優(yōu)化SVPWM，ξ=0時的不連續(xù)DPWMmax，ξ=1時的不連續(xù)。

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

3.2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)電路原理框圖如圖5所示，由于電網(wǎng)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(wǎng)電壓必需先降壓，處理完成后再通過變壓器并入電網(wǎng)。

首先由主控制電路（DSP）和驅(qū)動、整流、逆變及濾波等組成開環(huán)逆變系統(tǒng)，對載波PWM的SVPWM等效實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致等效性。

圖4 等效調(diào)制波、階梯波及PWM開關(guān)信號Fig.4 Equivalent modulation wave、staircase wave and PWM switch signal

圖5 實(shí)驗(yàn)硬件原理框圖Fig.5 Block diagram of experimental hardware

然后根據(jù)圖5的硬件原理框圖進(jìn)行有源逆變閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證有源逆變的方法與過程。由于并入市電電網(wǎng)，所以頻率捕獲與相位追蹤的頻率為50 Hz。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行有源逆變閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，電網(wǎng)電壓與輸出電流波形如圖7所示。

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

4 結(jié)論

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

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

根據(jù)載波PWM和SVPWM之間的內(nèi)在關(guān)系，給出了一種基于載波PWM的兩電平單相逆變器統(tǒng)一SVPWM實(shí)現(xiàn)方法。該方法利用零序分量表達(dá)式計(jì)算出PWM的脈寬，從而得出開關(guān)狀態(tài)的切換時間，易于在DSP系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所述方法的正確性和可行性?？傊赥MS320F28234的SVPWM等效方法在逆變系統(tǒng)中的應(yīng)用是切實(shí)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(shí)現(xiàn)[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(jī)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(yīng)用研究[J],微電機(jī),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(shí)現(xiàn)方法[J].電力電子技術(shù),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.