謝芳芳

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，湖南 長(zhǎng)沙，410208）

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基于TMS320F28335的三相SPWM變頻技術(shù)研究

謝芳芳

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，湖南 長(zhǎng)沙，410208）

［摘要］正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)是一種適用于大功率電力開關(guān)變換裝置的高性能開關(guān)調(diào)制策略，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛。TMS320F28335具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，其EPWM模塊非常適于產(chǎn)生SPWM波形。本文介紹了一種基于28335的三相SPWM變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，給出了硬件電路與程序流程，系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)。該方法采用對(duì)稱規(guī)則采樣算法，計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性高。通過CCS V5/simulator仿真表明，該方法實(shí)現(xiàn)了三相SPWM的有效輸出。

［關(guān)鍵詞］TMS320F28335；三相SPWM；變頻技術(shù)；規(guī)則采樣

引言

SPWM即正弦波脈寬調(diào)制，是一種通過改變輸出方波占空比來改變等效輸出電壓的調(diào)制方式，經(jīng)過調(diào)制后的波形其占空比按正弦規(guī)律排列，經(jīng)過適當(dāng)濾波后可以做到與正弦波等效的輸出。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻調(diào)速領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。

TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器是F2812的升級(jí)版本，最高運(yùn)行頻率150MHz，是控制類的首塊32位浮點(diǎn)DSP，主要應(yīng)用于高性能電機(jī)控制和其他嵌入式控制系統(tǒng)，是目前工業(yè)控制的主流芯片之一。F28335集成了6個(gè)DMA通道支持ADC，采樣速度快，尤其適用于采樣精度要求較高、工作環(huán)境比較惡劣的控制場(chǎng)合。與其他芯片相比，F(xiàn)28335的EPWM模塊功能更加完善，它的18路獨(dú)立的PWM輸出，每路PWM （EPWMxA和EPWMxB）均可生成相互獨(dú)立的控制脈沖，進(jìn)行相位控制、死區(qū)控制、異步控制等，也可成對(duì)產(chǎn)生SPWM波形，可方便輸出6對(duì)SPWM控制信號(hào)，分別去控制變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)IGBT管的開關(guān)狀態(tài)。同時(shí)，因其能直接進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各種變頻調(diào)速控制算法，使其成為目前變頻調(diào)速控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)主控芯片。

1 SPWM變壓變頻調(diào)速基本原理

在進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，通常希望保持電動(dòng)機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。

式中，E1是氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值（V）；f1是定子電源電壓的頻率；N1是定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kN是基波繞組系數(shù)；Φm是每極氣隙磁通量（Wb）

由式（1）可知，只要同步控制U1與f1，即在改變頻率的同時(shí)改變定子電壓，使U1/f1=C，即可保持Φm不變。

2 F28335的EPWM模塊

TMS320F28335有 6個(gè)加強(qiáng)型正弦脈寬調(diào)制（EPWM）模塊，每個(gè)完整的PWM通道都由兩個(gè)PWM輸出組成，即EPWMxA與EPWMxB（x=6）。EPWM模塊包含時(shí)間基準(zhǔn)、計(jì)數(shù)比較、動(dòng)作限定、死區(qū)控制、PWM斬波等子模塊，其中動(dòng)作限定子模塊在波形產(chǎn)生中起到重要作用，它決定輸出高或低電平的波形，從而使EPWMxA和EPWMxB輸出所需要的開關(guān)波形。動(dòng)作限定子模塊可在下列事件發(fā)生時(shí)引起輸出波形的跳變：時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器等于周期（TBCTR= TBPRD）；時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器等于0（TBCTR=0X0000）；時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器等于有效計(jì)數(shù)比較寄存器A值（TBCTR =CMPA）；時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器等于有效計(jì)數(shù)比較寄存器B值（TBCTR=CMPB）。

3基于F28335的SPWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)硬件電路

系統(tǒng)主電路由交-直-交電壓型逆變電路構(gòu)成，見圖1。逆變器驅(qū)動(dòng)電路采用SPWM，IGBT管的驅(qū)動(dòng)電壓波形為在正弦調(diào)制波半周期內(nèi)幅值相等、脈寬呈正弦分布的脈沖序列。采用雙極性控制方式，SPWM在正負(fù)極性之間變化。

圖1 系統(tǒng)硬件電路

（2）SPWM控制程序設(shè)計(jì)

SPWM波由三相參考正弦波ura、urb、urc與高頻三角波uc調(diào)制產(chǎn)生，根據(jù)正弦波與三角波的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻。

圖2三相SPWM波形

在SPWM數(shù)字控制變頻調(diào)速系統(tǒng)中，根據(jù)V-f曲線，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間，通過調(diào)整M與頻率f的關(guān)系以滿足式（2），即可實(shí)現(xiàn)恒壓頻比控制，提高調(diào)速系統(tǒng)性能，式中Uc為三角波幅值。

SPWM的調(diào)制方式分為異步調(diào)制與同步調(diào)制。異步調(diào)制通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，N是變化的。同步調(diào)制在變頻時(shí)使載波和參考正弦波信號(hào)保持同步，N等于常數(shù)，參考正弦波一周期內(nèi)SPWM脈沖數(shù)固定，在三相電路采用同一個(gè)三角波載波，且取N 為3的整數(shù)倍，以保證逆變器三相輸出波形對(duì)稱。

根據(jù)式（1）可知，改變調(diào)制比M，可以改變脈沖寬度Ta，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓的調(diào)節(jié)。

本程序采用對(duì)稱規(guī)則采樣法，EPWMxA中的定時(shí)器采用連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式以產(chǎn)生高頻三角波。選擇3對(duì)EPWMxA與EPWMxB（x=1，2，3）的輸出分別輸入VT1、VT4，VT3、VT6，VT5、VT2，輸出波形設(shè)置為成對(duì)輸出，即EPWMxA與EPWMxB輸出波形反相，以驅(qū)動(dòng)三相逆變器中IGBT。F28335通過計(jì)算式（1），得到下一個(gè)三相SPWM的有效脈沖寬度Ta、Tb、Tc，將計(jì)算出的三相脈寬比較值存入EPWMxA對(duì)應(yīng)的比較寄存器。當(dāng)TBCTR=CMPA時(shí)，EPWMx輸出波形翻轉(zhuǎn)。

在程序設(shè)計(jì)中，F(xiàn)28335每進(jìn)入一次定時(shí)器1周期中斷計(jì)算一次Ta、Tb、Tc的值，并分別裝載到各自對(duì)應(yīng)的比較寄存器中，即：*CMPR1=Ta、*CMPR2=Tb、*CMPR3=Tc。三相SPWM控制程序流程如圖3所示。

圖3三相SPWM控制程序流程

SPWM驅(qū)動(dòng)子程序中部分關(guān)鍵語句如下：

signed int cmp_tmp=0；

signed int a_sin=0；

signed int b_sin=0；

index=index&0x01ff；

a_sin=SINTAB［index］；//查表得到sin值

index=（index+0x155）&0x01ff；//查表指針范圍（0～511）

b_sin=SINTAB［index］；//查表得到cos值

//以下語句確定cmp0，Tb、Tc

cmp_tmp=（long）a_sin*u_out；

Tb=（long）cmp_tmp*t1per；

cmp_tmp=（long）b_sin*u_out；

Tc=（long）cmp_tmp*t1per；

Ta=（long）t1per*3>>1；

*CMPR1=Ta；

*CMPR2=Tb；

*CMPR3=Tc；

4仿真結(jié)果與分析

在CCS V5創(chuàng)建工程，檢查語法無誤后，借助Tools/Graph工具，通過采集EPWM1A的輸出波形緩沖到數(shù)組Buffer，在設(shè)定為同步調(diào)制且載波比為N=150的情況下，觀察到圖4所示波形，可見其為一系列幅值相等、占空比按正弦規(guī)律實(shí)時(shí)變化的波形，與控制程序?qū)崿F(xiàn)的功能一致。

圖4SPWM波形輸出

5結(jié)語

本文介紹了一種基于F28335的三相SPWM變壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，給出了硬件電路與程序設(shè)計(jì)方法，借助CCS V5仿真環(huán)境，創(chuàng)建工程后調(diào)試C語言編寫的主程序，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期SPWM波形的輸出。F28335是一款高性能的工業(yè)控制芯片，具有豐富的硬件資源與強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，尤其它的EPWM模塊相對(duì)目前應(yīng)用廣泛的F2812事件管理器模塊中的PWM輸出功能有了很大提高。此外，F(xiàn)28335可直接進(jìn)行浮點(diǎn)計(jì)算，動(dòng)態(tài)范圍更大，加之運(yùn)行速度快，可方便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求高、運(yùn)算量巨大的算法。本文實(shí)現(xiàn)的只是三相SPWM輸出，在后續(xù)工作中，可將F28335應(yīng)用于多相SPWM或者更復(fù)雜調(diào)制策略的變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)中。

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［中圖分類號(hào)］TP273.05

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1671-5004（2016）03-0001-03

［收稿日期］2015-11-10

［基金項(xiàng)目］湖南省教育廳科研項(xiàng)目“基于DSP28335的雙三相感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速控制裝置的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：13C218）；2015年湖南省普通高等學(xué)校中青年骨干教師國(guó)內(nèi)訪問學(xué)者項(xiàng)目。

［作者簡(jiǎn)介］謝芳芳（1978-），女，湖南新田人，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授、工學(xué)碩士，研究方向：控制理論與控制工程。

The Research of Three-phase SPWM Frequency-converting Techniques Based on TMS320F28335

XIE Fang-fang
（Electric Engineering Department，Hunan Industry Polytechnic，Changsha410208，Hunan）

［Abstract］SPWM technique is a suitable power switch conversion device for high-power high-performance switching modulation strategy，which is commonly used in variable frequency speed adjusting system.TMS320F28335 has strong ability in data processing，and the Envelope Pulse-Width Modulation（EPWM）module is very suitable for generating three-phase SPWM wave. The method of how to take advantage of TMS320F28335 to generate three-phase SPWM wave used in variable frequency speed adjusting system was described，and the hardware circuit and process flow were given，and the system has good expansibility.The method using symmetry regular-sampling has the characteristics of less calculation and strong real-time capability.The software emulating result based on CCS V5/simulator shows the output waveforms of three-phase SPWM correspond to these of the theory.

［Key words］TMS320F28335；three-phase SPWM；frequency-converting techniques；regular sampling method