基于ADSP－BF548的SVPWM算法實(shí)現(xiàn)

于非 趙繼敏

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院電氣工程系，上海 200240）

0 引言

空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱SVPWM）是對(duì)應(yīng)于永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡(jiǎn)稱PMSM）中的三相逆變器的功率器件的一種開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合。SVPWM將在定子線圈中產(chǎn)生三相互差120電角度、波形失真較小的正弦電流。目前，SVPWM已經(jīng)成為三相電壓源逆變器中的一種非常流行的PWM技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的控制中。與直接的正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱SPWM）技術(shù)相比，有明顯的優(yōu)點(diǎn)，如功率因數(shù)高、電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低、直流電壓利用率高、電流波形畸變小等。

Blackfin處理器ADSP－BF548是美國亞德諾半導(dǎo)體公司（Analog Devices Inc，簡(jiǎn)稱ADI）推出的新型16/32位嵌入式處理器，可以適應(yīng)當(dāng)今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計(jì)算要求，同時(shí)，該處理器還具有業(yè)界領(lǐng)先的功耗控制水平。ADSP－BF548具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，且集成了大量的外圍接口，使控制電路設(shè)計(jì)在很大程度上得到了簡(jiǎn)化。本文介紹了SVPWM算法基本原理和基于Blackfin處理器ADSP－BF548的SVPWM算法實(shí)現(xiàn)。

1SVPWM算法原理

與直流電動(dòng)機(jī)不同，在同步電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞磁通之間的空間角度不是固定的，它隨負(fù)載而變化，這將引起磁場(chǎng)間復(fù)雜的作用關(guān)系。因此，不能簡(jiǎn)單地像直流電機(jī)那樣，通過調(diào)節(jié)電樞電流來直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。因此，若能通過電動(dòng)機(jī)外部的控制系統(tǒng)，即通過外部條件能對(duì)電樞磁通勢(shì)相對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)進(jìn)行空間定向控制，就可以直接控制兩者間的空間角度。在此基礎(chǔ)上，若對(duì)電樞電流幅值也能直接控制，那就能夠獲得與直流電動(dòng)機(jī)同樣的調(diào)速性能。

SVPWM算法的基本思想就是按照產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)這一等效原則建立起來的，將一個(gè)三相交流的磁場(chǎng)系統(tǒng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)體上的直流磁場(chǎng)系統(tǒng)，以兩相系統(tǒng)做過渡，進(jìn)行等效變換，從而在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律。SVPWM算法將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的高性能調(diào)速。

PMSM的SVPWM算法控制原理如圖1所示。整個(gè)控制的基本思路是:電流傳感器測(cè)得的三相電流信號(hào)經(jīng)Clarke變換和Park變換，得到實(shí)際的轉(zhuǎn)矩電流分量iq和磁場(chǎng)電流分量id。iq和id再分別經(jīng)過PI反饋調(diào)節(jié)，得到旋轉(zhuǎn)的電壓分量Ud和Uq，然后Park逆變換將它們變換成靜止坐標(biāo)系中的電壓分量Uα和Uβ。最后，計(jì)算出三相逆變器開關(guān)信號(hào)的導(dǎo)通時(shí)間。

圖1 永磁同步電機(jī)空間矢量控制方框圖［1］

具體轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略有許多種，如id=0控制、恒磁鏈控制、cosφ=1控制、最大轉(zhuǎn)矩電流控制、弱磁控制、最大輸出功率控制等。本文采用id=0的轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制，此策略對(duì)于要求產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩一定的情況下，需要的定子電流最小，可以大大降低銅耗，提高效率［2－4］。由PMSM數(shù)學(xué)模型可知，電磁轉(zhuǎn)矩如式（1）

采用id=0的轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制策略時(shí)，定子電流全部用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩（is=iq），電磁轉(zhuǎn)矩就僅隨著iq的變化而變化，如式（2）。在控制系統(tǒng)中只要控制is的大小，就能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)矢量控制。

圖2 電壓空間矢量圖

在交流調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器將直流母線電壓調(diào)制后，為交流電機(jī)提供PWM調(diào)制電壓。利用6個(gè)功率開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)時(shí)間、開關(guān)順序組合，以保證電壓空間矢量圓形運(yùn)動(dòng)軌跡為目標(biāo)，就可以產(chǎn)生諧波較少的、且直流電源電壓利用率較高的輸出［5］。6 個(gè)開關(guān)元件，上下2個(gè)看為一組，因此，實(shí)際視為3組開關(guān)元件，可組成23=8個(gè)開關(guān)狀態(tài)。這就對(duì)應(yīng)于空間矢量脈寬調(diào)制方式的8個(gè)空間矢量～，除去2個(gè)零矢量，剩下可構(gòu)成6個(gè)扇區(qū)，相鄰2個(gè)非零向量之間的夾角為60度，如圖2所示。由于逆變器的實(shí)際所能產(chǎn)生的矢量限制（8個(gè)），不能輸出任意角度、任意模長(zhǎng)的空間矢量，因此，為獲得旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量，只能按照平行四邊形法則，利用8個(gè)基本的電壓空間矢量，選擇不同的矢量和不同的作用時(shí)間來等效合成所需要的、任意角度和模長(zhǎng)的矢量us。因此，算法的基本過程為:1.判斷扇區(qū);2.計(jì)算不同扇區(qū)相鄰電壓矢量的作用時(shí)間。

判斷扇區(qū)通常的方法是:根據(jù)Uα和Uβ計(jì)算出電壓矢量的幅值，再結(jié)合Uα和Uβ的正負(fù)進(jìn)行判斷。假定參考電壓矢量落在第3扇區(qū)內(nèi)，那么其等價(jià)條件為:

將上式進(jìn)行化簡(jiǎn)，得到Uα且Uβ/Uα■＜3。等價(jià)于

同理，可得到其他扇區(qū)內(nèi)的情況，如表1所示?？梢钥闯?，扇區(qū)號(hào)是由Uβ、Uα－Uβα－Uβ所決定的。

在判斷完扇區(qū)后，計(jì)算不同扇區(qū)相鄰電壓矢量的作用時(shí)間，以圖3為例，us在第3扇區(qū)內(nèi)，按照平行四邊形法則，有

圖3 電壓空間矢量合成示意圖

式中，T為PWM周期，T4為作用時(shí)間，T6為作用時(shí)間，T0為零矢量作用時(shí)間?？山獾脙上噜忞妷菏噶考傲闶噶康淖饔脮r(shí)間分別為:

Uα、Uβ是在靜止坐標(biāo)系α、β軸上的分量。其他扇區(qū)內(nèi)計(jì)算方法相同，見表2。

表1 各扇區(qū)內(nèi)的等價(jià)條件

表2 相鄰電壓矢量在各扇區(qū)內(nèi)作用時(shí)間

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用ADI公司Blackfin系列高運(yùn)算性能DSP芯片ADSP－BF548為核心，該芯片具備高速的數(shù)據(jù)處理能力和良好的控制性能。由圖4可知，硬件系統(tǒng)主要由控制芯片、電源轉(zhuǎn)換電路、PWM電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、位置檢測(cè)電路、電流采樣電路、AD采樣電路和DA轉(zhuǎn)換電路等部分組成。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 程序設(shè)計(jì)

程序部分關(guān)鍵內(nèi)容為主程序和PWM信號(hào)中斷。

3.1 主程序

主程序初始化完成后，進(jìn)入循環(huán)查詢狀態(tài)，根據(jù)不同信息需求的精度不同，不同時(shí)間間隔進(jìn)行不同的操作，如測(cè)轉(zhuǎn)速、UART通訊、AD轉(zhuǎn)換、保護(hù)計(jì)算等。

主程序初始化時(shí)將給定啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的位置［6］，因?yàn)槭噶靠刂菩枰獧z測(cè)或估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，而采用增量式光電脈沖編碼器作為正弦波永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)元件，必須要在系統(tǒng)剛上電時(shí)，就測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)子的精確的初始位置。因此，在開機(jī)前要確保轉(zhuǎn)子移動(dòng)到電角度為0的點(diǎn)。

圖5 主程序流程

3.2PWM信號(hào)中斷

在本設(shè)計(jì)中，PWM信號(hào)的發(fā)生采用了單更新模式，即對(duì)應(yīng)一個(gè)sync信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)PWM周期，sync信號(hào)與PWM信號(hào)頻率相同。本設(shè)計(jì)中，定義PWM信號(hào)頻率為14kHz，即一個(gè)PWM周期為70 μs左右。若采用的PWM頻率過低，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)PWM信號(hào)更新速度過慢，電機(jī)調(diào)速效果將受到影響;而若頻率太高，會(huì)導(dǎo)致中斷的間隙時(shí)間變短，在間隙時(shí)間內(nèi)要進(jìn)行的電流環(huán)計(jì)算、按鍵響應(yīng)、LCD顯示等操作，將無法完成。本設(shè)計(jì)定義的14 kHz是基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的一個(gè)比較理想的結(jié)果。通過此中斷，可以得到三相IGBT導(dǎo)通時(shí)間并調(diào)整三相PWM信號(hào)，流程圖見圖6（a）。其中，逆變電路各IGBT導(dǎo)通時(shí)間的計(jì)算過程如圖6（b）。

值得一提的是，基于Blackfin處理器ADSP－BF548強(qiáng)大的處理能力，與以往常用的DSP芯片處理SVPWM算法時(shí)不同，ADSP－BF548將不再需要編寫正弦表進(jìn)行查詢，而可以直接實(shí)時(shí)計(jì)算正弦數(shù)值，這就大大提高了精確度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7顯示的是扇區(qū)號(hào)N的曲線，矢量按扇區(qū)1→5→4→6→2→3→1變化。圖8為相鄰矢量開斷時(shí)間T1、T2波形。圖9下方曲線為id，上方為為iq，可以看到，id始終在0附近波動(dòng)，iq也穩(wěn)定在一個(gè)與轉(zhuǎn)速有關(guān)的固定值附近震蕩，符合設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

本文在介紹SVPWM算法的基礎(chǔ)上，選定id=0控制策略進(jìn)行配置，介紹了如何在ADI公司Blackfin處理器ADSP－BF548平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)SVPWM算法。和以往的一些DSP相比，ADSPBF548計(jì)算能力更強(qiáng)，配置更方便，控制精度更高。

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