基于DSP的PWM控制技术探讨
基于DSP的PWM控制技术探讨
黄 艳
（ 湛江市技师学院，广东湛江 524037 ）
摘要：近几十年来由于 PWM 整流器主电路并无多大突破，更多的研究集中在整流器的控制技术上，现在广泛采用的是在同步坐标系下电压、电流的双闭环控制策略，根据整流器的双环控制结构，采用 DSP 芯片，利用其内部资源和高速数据处理能力，研究了空间矢量脉宽调制的原理以及 DSP 实现算法。本文将重点探讨基于DSP的PWM控制技术。
关键词：DSP；PWM；控制技术
目前一些微处理器也集成了PWM接口，用于与软件配合输出PWM信号。就一般单片机而言，PWM算法占用较多CPU时间，不利于实时脉宽计算。若用软件直接生成pWM信号，不仅PWM信号调制算法必须具有优良性能，而且需要采用多字长、运算速度高的单片机来实现高质量的信号输出。双极性可逆PWM系统的DSP控制与单极性可逆PWM系统的DSP控制基本相同。由于PWM1和PWM4的控制规律一样，PWM2和PWM3的控制规律一样，所以比较方式控制寄存器ACTRA的设置应为0096H。双极性可逆PWM系统的占空比除了决定电动机的转速外，还决定电动机的转向，因此，在电流PI调节控制中，必须根据转向标志DIRECTION来决定输出极限：正转时，输出的范围是0～250；反转时，输出的范围是250～500。
1 控制方法分析
数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，是一种具有高速运算能力的微处理器，主要应用于实时、快速地实现各种数字信号处理算法。近年来，随着半导体技术的发展，DSP实时处理功能不断增强，同时所集成的设备功能不断丰富，逐渐向单片控制器的方向发展，在控制领域中得到了很好的应用。在DSP领域中，美国德州仪器公司(Texas Instruments，TI)的系列DSP产品应用最为普遍。其中，TMS320C2000系列专门为高性能数字电动机控制系统的应用而设计，非常适合电动机的控制。
由于幅相控制策略动态性能不好，电流调整能力不强，计算模块依赖参数精确性，稳态性能有偏差。而直接电流控制系统的稳态、动态性能好，因此得到了广泛应用，其主要分为滞环电流控制、预测电流控制、定频 PWM 控制等。其中，滞环 PWM 电流控制，能加速电流的响应，并能对电压外环控制的对象起改造作用，从而改善电压外环的性能。
电力电子学作为一种从工业中发展起来的交叉学科，其中包括电力技术、电子技术和控制技术，已经在工业中被应用了几十年。比较两种导通方式可知：在180o导通型和120o导通型逆变器中，开关元件的导通顺序和触发脉冲的间隔都是一样的。不同之处在于开关元件换流顺序不同，前者是在一个桥臂的上、下元件间进行，形成直通的危险较大；后者是在同一排桥臂的左右相邻元件进行换流，形成直通的可能性小。由于导通区间不同，前者的电压有效值高于后者。一般地说，电压型逆变器多采用180o导通型，电流逆变器多采用120o导通型。随着科学技术的进步，电力半导体器件和微电子技术有了长足的发展，为研究、设计和制造更加复杂、性能更好的逆变器提供了条件。脉宽调制(PWM，Pulse Width Modulation)变频技术是20世纪70年代后期发展起来的一项新技术。SPI是一个高速同步串行通信接口，能够实现DSP与外部设备或另一个DSP之间的高速串行通信。SPI的通信速率和通信数据长度都是可编程的。F2812处理器的SPI接口有一个16级的接收和传输FIFO，可以减少CPU的开销。SCI为异步串行接口，支持标难的UART异步通信模式。为减少串口通信时CPU的开销，F2812的串口支持16级接收和发送FIFO。SCI模块采用标准非归零数据格式，可以与CPU或其他通信数据格式兼容的异步外设进行数字通信。当不使用FIFO时，SCI接收器和发送器采用双级缓冲传送数据。SCI接收器和发送器有自己的独立使能和中断位，可以独立地操作，在全双工模式下也可以同时操作。为保证数据完整，SCI模块对接收到的数据进行间断、极性、超限和帧错误检测。通过对16位的波特率控制寄存器进行编程，配置不同的SCI通信速率。
2基于DSP的PWM控制的设计方案
系统主要分为三个部分：模拟信号采集、DSP控制器和PWM驱动电路。其中模拟信号采集部分主要完成对三相交流电压、电流的采集和直流母线电压的采集。控制器通过采集到的模拟信号进行算法控制，最终产生预期的PWM波，进而通过驱动电路控制IGBT的通断，来实现整个系统的设计。
作为PWM整流回馈系统，主要目的是实现单位功率因数、稳定直流母线电压输出和能量的双向流动。下面针对这三个方面对系统进行探讨和研究。
首先应该对三相电压进行锁相，这样可以保证在整流时的电流相位和电压相位同相和能量回馈时电压相位和电流相位相差180o，因此锁相的精度直接影响到整流和回馈时的质量。锁相环的设计，可以分为硬件锁相环和软件锁相环，采用硬件锁相环需要在系统上增加新的硬件，同时也增加了成本，因此，在本设计中采用软件锁相技术。(1)程序框图。F2812系列DSP具有丰富的电动机控制子程序库，可以方便地进行调用。包括主程序以及主中断服务子程序。主程序主要实现的是初始化及循环等待的功能以及在中断服务子程序中完成电动机的坐标变换功能等。(2)程序清单。以下是永磁同步电动机矢量控制的基本程序。该程序主要实现坐标变换及SVPWM等功能，转角量是由RDC电路生成的，直接通过通用IO读取。程序中没有包括转速闭环程序，可以根据实际需要由角度信号计算出速度反馈信号，调用TI的PID子程序构成转速的闭环控制。
3用DSP实现各类PWM波形
3.1采样法PWM波形的特点及实现方法
用采样法产生与正弦波等效的PWM波形又称正弦脉宽调制(SPWM)，其原理是用一组等腰三角形波(载波)与一个正弦波(调制波)进行比较，取其相交的时一刻作为开关管“开”或“关”的时刻。改变调制波的频率就可以改变输出电源的频率；改变调制波的幅值，也就改变了调制波与载波的交点，使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变了输出电压。利用交点时刻来决定开关管开关模式生成SPWM波的方法称为自然采样法。但是由于采样法的数学模型求解比较困难，一般采用对称规则采样法，即令每个脉冲的中点与相应的三角波中点重合[3]。
3.2空间矢量法PWM波形的特点及实现方法
空间矢量PWM技术即磁链轨迹法，是从电动机的角度出发，使逆变电路能向交流电动机提供可变频电源、并能保证电动机形成圆形磁场，从而实现交流电动机的变频调速，但是该方法只能适用十三相逆变器的控制而不适用于单相逆变器。当无混沌序列调制信号加入时，占空比固定的控制信号PWM波形如图1：因为加入混沌序列调制后波形为非奇非偶函数，原点只能取在波形的起始点；保持一致，所以图1原点也取在波形的起始点
由图1，可写出一个周期T内f(t)的时域表达式
（3.1）
式中，为单位阶跃函数。
对式3.1进行傅立叶分析，可得
（3.2）
式3.2中 （3.3）
（3.4）
由式（3.1）可以得出，式（3.2）的频谱不连续，为断续分布，但因为式（3.2）中有两项正交的三角函数，其幅值大小难以分析，故仍需继续整理。
由三角公式
在第一象限取值
进行整理变形，合并正弦与余弦项得
进行分析讨论，为直流分量，在E一定的情况下，其大小取决于，也即是占空比k。
3.3特定谐波消除法PWM波形的特点及实现方法
中断标志位锁存到标志寄存器后，在全局中断屏蔽位INTM以及中断使能寄存器IER或中断调试使能寄存器DBGIER相应使能位被使能时，CPU会响应中断申请。采用中断使能寄存器IER还是中断调试使能寄存器DBGIER来屏蔽中断与中断处理方式有关。在标准处理模式下，不使用中断调试位能寄存器。只有当F2812使用实时调试且CPU被停止时，才使用中断调试使能寄存器，此时INTM不起作用。如果F2812进行实时调试，而CPU仍然正常运行，则采用标准的中断处理。CPU获取中断向量和保存重要的寄存器需要花费9个时钟周期。因此，CPU能够快速地响应中断。逆变器和调制器模块设置a)逆变器参数b)PWM调制器参数相上桥臂IGBT(VTI)和与IGBT反并联的二极管(VDI)的电流，通过多功能模块观察的电流波形为一相桥臂的电流，该电流包含IGBT和二极管的电流两部分，因此该电流的正向部分是通过IGBT的电流，反向部分为二极管的电流，因为是电感负载，该电流滞后于电压。通过IGBT的电压和电流，并加上一定的裕量可以选择IGBT的电压和电流参数。
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图2 逆变器的输出波形
智能功率模块IPM，它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。
结束语
逆变器的PWM控制策略主要有采样法，空间矢量法，特定谐波消去法。虽然都是以得到正弦波为目的，但是不同的控制策略所得到的波形各异，用DSP来实现时采用的方法就不同。本文在探讨基于DSP的PWM控制技术，并分析了用DSP实现各类PWM波形。
参考文献
[1]Ye Y, Kazerani M, Quintana V H. A novel modeling and control method for three-phase PWM converters. PESC. 2001 IEEE 32th Annual, 2001.
[2]马西奎，李明等. 电力电子电路与系统中的复杂行为研究综述[J]. 电工技术学报，2006，21(12).
[3]梁世清. 基于混沌理论的舰船电力系统可靠性研究[D]. 江苏科技大学研究生学位硕士论文，2008-03.
作者简介：
黄艳（1968—），女，湛江技师学院讲师，主要从事电气自动化专业的教学与研究 。单位地址：广东省湛江市赤坎区寸金路42号 电话：13922096977 邮编：524037
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