基于DSP代碼自動生成的SVPWM算法的研究

武瓊，漆星，王群京，李國麗，王秀芹，方圓，潘睿

（1.安徽大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.華北電力大學(xué)國際教育學(xué)院，北京 100000）

傳統(tǒng)DSP系統(tǒng)存在開發(fā)周期長、成本高等缺點，本文提出了一種基于Matlab/Simulink實時代碼生成工具RTW模塊的DSP數(shù)字控制系統(tǒng)，用以實現(xiàn)SVPWM算法。這是一種基于模型化算法的DSP開發(fā)方式，可根據(jù)仿真模型直接生成目標(biāo)代碼，仿真與實驗結(jié)果說明了此方法的有效性。

1 基于仿真模型的DSP控制平臺

DSP控制平臺系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the controlsystem

該系統(tǒng)的控制芯片采用TI公司的TMS320F28335 DSP，DSP的編程下載可使用JTAG接口或者串口。根據(jù)模型化的設(shè)計理念，依托于仿真模型進(jìn)行控制系統(tǒng)的開發(fā)，大量工作在Simulink中即可完成，在Simulink中可進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計與仿真，并可通過自動代碼生成實時獲得源代碼，進(jìn)行連續(xù)測試和驗證。軟件的更新不需要任何的硬件改動便可實現(xiàn)，因此該平臺是一個DSP參與設(shè)計的系統(tǒng)，具有完整性和可編程性。

2 基于RTW的設(shè)計流程

傳統(tǒng)DSP控制系統(tǒng)的設(shè)計流程為：1）提出系統(tǒng)的要求和規(guī)格；2）理論設(shè)計；3）系統(tǒng)實現(xiàn)；4）測試和修正。在這種設(shè)計方法中，設(shè)計成本、硬件性能以及實時性等因素會限制物理模型改版的次數(shù)，也就限制了實際系統(tǒng)所達(dá)到的性能指標(biāo)。傳統(tǒng)設(shè)計方式只有當(dāng)整個系統(tǒng)模型構(gòu)建完成以后才可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行編程測試。同時，軟件通常是靠手工編寫，不僅對編程過程有很大的依賴性，需要耗費大量的時間，而且容易出現(xiàn)各類非模型設(shè)計的錯誤，所以，傳統(tǒng)設(shè)計方法存在可操作性差、成本高的缺點。

新版Matlab不僅可在基于模型的圖形化的交互式環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計、開發(fā)和仿真，Matlab里的real-time workshop和real-time workshop embedded coder還可以將系統(tǒng)仿真模型自動生成代碼，代碼經(jīng)編譯器編譯、鏈接后生成可執(zhí)行文件，可執(zhí)行文件被下載到DSP中便可使DSP實現(xiàn)算法。這種基于模型的圖形化的交互式設(shè)計方法可以更加形象地對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計驗證，仿真模型具有規(guī)范性、易于分享，可減少實物驗證，降低工作量與成本?；诜抡婺Ｐ团cRTW模塊的DSP代碼開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程圖Fig.2 System developmentflow chart

3 基于代碼自動生成的SVPWM算法實現(xiàn)

PWM技術(shù)多種多樣，其中SVPWM技術(shù)與其他PWM控制方法相比，具有直流電壓利用率高、控制簡單、損耗較小、便于數(shù)字化應(yīng)用于各種微控制器等優(yōu)點，本文針對SVPWM技術(shù)進(jìn)行研究。

3.1 電壓空間矢量控制原理

三相橋的電壓空間矢量分布如圖3所示，通斷狀態(tài)僅有8種情況，即000-111。SVPWM算法的實現(xiàn)需要得到更多的空間矢量。在通過矢量合成的方式構(gòu)造新矢量時每個扇區(qū)相應(yīng)的調(diào)制波形如圖3所示。矢量U(x,y,z)中的x,y,z分別對應(yīng)于三相橋臂的通斷狀態(tài)。

3.2 SVPWM的仿真模型

3.2.1 判斷扇區(qū)

在仿真中，電壓空間矢量是以兩相坐標(biāo)系的電壓給定值Uα和Uβ作為輸入信號，現(xiàn)定義：

若Uref1＞0則a=1，否則a=0；若Uref2＞0，則b=1，否則b=0；若Uref3＞0 ，則c=1，否則c=0。于是所求扇區(qū)號S=4c+2b+a。仿真模型見圖4。

圖4 判斷扇區(qū)Fig.4 Judgmentof the sector

3.2.2 計算占空比

計算三相坐標(biāo)系中的X，Y，Z：

由X，Y，Z的值可求出不同扇區(qū)矢量所對應(yīng)的時間參數(shù)t1和t2，其關(guān)系如表1所示，計算時間參數(shù)仿真模型如圖5所示。

表1 扇區(qū)號S與時間參數(shù)的關(guān)系Tab.1 The relationship between sectornumberand time parameter

圖5 計算時間參數(shù)Fig.5 Calculation of the time parameter

定義占空比參數(shù)為

最終可確定送到微控制器比較寄存器CMPR x（x=1，2，3）的值 Ta，Tb，Tc如表2所示，計算占空比參數(shù)與比較值的仿真模型如圖6所示。

表2 扇區(qū)號S與三相PWM波占空比Tab.2 The sectornumberand the duty cycle ofthree phase PWM

圖6 計算占空比參數(shù)與比較值Fig.6 Calculation of the duty cycle parameters and compare values

3.2.3 合成三相PWM波

在使用微控制器合成PWM波的情況下，首先設(shè)定好定時器、比較單元以及死區(qū)控制單元的控制值，然后將周期值寫入周期寄存器中，最后把上一節(jié)算得的Ta，Tb，Tc分別寫入比較寄存器CMPR x（x=1，2，3）中便可獲得目標(biāo)波形。

當(dāng)通用定時器1的計數(shù)值與比較寄存器中的值相等時，產(chǎn)生狀態(tài)匹配信號進(jìn)入波形發(fā)生單元，經(jīng)對稱PWM發(fā)生器、死區(qū)單元、邏輯控制單元輸出6路PWM波。圖7為假定高電平為開通信號且無死區(qū)情況下的PWM波產(chǎn)生示意圖。仿真中的合成3項PWM波實現(xiàn)方式如圖8所示。

圖7 PWM波產(chǎn)生示意圖Fig.7 PWM waves produce diagrams

圖8 合成3項PWM波Fig.8 Synthesis ofthree PWM waves

3.2.4 接逆變器與阻感負(fù)載

接逆變器與阻感負(fù)載仿真模型如圖9所示，其中逆變器直流側(cè)電壓Vdc=400 V,阻感負(fù)載中R=100Ω，L=0.06 H。仿真中所得電壓電流波形如圖10～圖12所示。

圖9 接逆變器與阻感負(fù)載仿真Fig.9 Simulation with inverterand resistance-inductance load

圖10 線電壓仿真波形Fig.10 Simulation of line voltage waveform

圖11 相電壓仿真波形Fig.11 Simulation of phase voltage waveform

圖12 相電流仿真波形Fig.12 Simulation of phase current wave form

3.3 使用RTW快速生成DSP代碼

3.3.1 添加并設(shè)置Target Preferences模塊

在Simulink Library中按Embedded Coder-Embedded Targets路徑找到Target Preferences模塊并添加到仿真中，在彈出的Initialize Comfiguration Parameters窗口中將IDE/Tool Chain選項設(shè)置為Texas-Instruments Code Composer，將Board選項設(shè)置為SD F28335 ezdsp。

3.3.2 添加并設(shè)置ePWM模塊

在Simulink Library中按Embedded Coder-Embedded Tragets-Processors-Texas Instruments C2000-C28x3x路徑找到ePWM模塊并添加3個到仿真中，打開ePWM模塊屬性選項卡將Specify CMPA via選項選擇為：Inputport。設(shè)置后ePWM模塊會多出一個輸入端口，用來輸入比較值。

3.3.3 完成整個仿真并生成代碼

把3.2.3節(jié)中合成三相PWM波的部分從SVPWM模塊中去除，引出Ta、Tb、Tc并依此接入到ePWM1，ePWM2，ePWM3模塊的輸入端口，整個仿真模型結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 SVPWM仿真模型Fig.13 Simulation modelofSVPWM

點擊Simulink工具欄上的incremental build按鈕，仿真編譯完成后，CCS自動運行—建立工程—全局編譯—燒寫程序，一系列自動執(zhí)行的操作以后，DSP執(zhí)行自動生成的程序、發(fā)出PWM波。

4 仿真實驗結(jié)果與結(jié)論

為驗證算法和自動代碼生成方法的可行性，在TMS320F28335 DSP開發(fā)板上進(jìn)行了驗證試驗，仿真中比較值的仿真波形如圖14所示；仿真模型經(jīng)RTW模塊處理后生成C代碼，燒入DSP經(jīng)過RC濾波得到馬鞍波實驗結(jié)果如圖15所示。

圖14 比較值仿真波形Fig.14 Comparison value simulation waveform

圖15 實驗結(jié)果Fig.15 The resultof the experiment

SVPWM算法的仿真與RTW代碼生成的結(jié)果表明，基于Matlab的Embedded target for TI C2000 DSP的設(shè)計過程，可自動生成算法的C代碼，有效縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)設(shè)計效率。

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