用单片机实现SVPWM合成.docx
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用单片机实现SVPWM合成
来源:
凌阳单片机推广中心 作者:
牟联树
用单片机实现SVPWM合成
前言
随着计算机技术和电力电子技术的发展,变频驱动技术凭借其优异的性能,在当今交流调速领域的应用越来越广。
变频驱动主要使用的驱动波形主要有SPWM和SVPWM两种。
SPWM原理简单、实现容易,是现在使用最广的一种变频驱动波形。
但其有一个致命的弱点是其电源利用率不高(只有86%)、谐波成分大。
因此,在新近开发的产品中其应用逐渐被性能优异的SVPWM所取代。
SVPWM是一种电压利用率、低谐波成分的变频驱动波形,还有开关次数少、功率管功耗小等特点。
同时,SVPWM还能很好的结合矢量控制算法、以最大限度的发挥设备的性能。
因此被越来越多的变频设备所采用。
芯片简介
SPMC75系列MCU是凌阳科技公司设计开发的高性能16位通用MCU,具有很强的抗干扰能力、丰富易用的资源以及优良的结构,特别是增强的定时计数器和PWM输出功能。
SPMC75系列MCU使用凌阳u’nSP内核,u’nSP内核是一种高效的16位CISC内核。
支持乘法、乘法累加、32/16位除法、FIR等高性能运算;支持两种中断模式。
可以方便的产生SPWM波、空间电压向量PWM(SVPWM)等各种电机驱动波形。
除了拥有高性能的CPU外,SPMC75系列MCU还集成了多种功能模块:
多功能I/O口、同步和异步串行口、高性能ADC、普通的定时计数器、多功能的捕获比较模块、BLDC电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口、能产生各种电机驱动波形的PWM发生器等。
同时,SPMC75系列单片机内部集成了32KWords的Flash和2KWords的SRAM。
利用这些硬设支持,SPMC75系列单片机可以完成诸如家用电变频驱动、标准的工业变频驱动器、多环的伺服驱动系统等复杂应用。
SVPWM合成原理
如图1-1所示的三相逆变桥中六个开关管有8种允许的开关组合,其中有6种有效的开关组合,称为非零基本空间电压矢量;有2种为无效开关状态,称为零空间电压矢量。
当逆变器单独输出六种基本电压空间矢量时,电动机的定子磁链矢量的矢端的运动轨迹是一个正六边形,如图1-2所示。
显然,按照这样的供电方式只能形成正六边形的旋转磁场,而不是我们希望的圆形旋转磁场。
怎样获得圆形旋转磁场?
一个思路是,如果在定子里形成的旋转磁场不是正六边形,而是正多边形,我们就可以得到近似的圆形旋转磁场。
显然,正多边形的边数越多,近似的程度就越多。
但是非零的基本电压空间矢量只有六个,如果相获得尽可能多的多边形旋转磁场,就必须有更多的逆变器开关状态。
下面介绍这
种线性时间组合方法。
在图1-3中
和
代表相邻的两个基本电压空间矢量;
是输出的参考相电压矢量,其幅值代表相电压的幅值,其旋转角速度就是输出正弦电压的角频率。
可以由
和
线性时间组合来合成,它等于
倍的
和
倍的
的矢量和。
其中
分别是
和
作用的时间;
是
作用的时间。
按照这种方式,在下一个
期间,仍然用
和
的线性时间组合,但作用的时间t1''和t2''与上一次的不同,它们必须保证所合成的新的电压空间矢量
''与原来的电压空间矢量
的幅值相等。
如此下去,在每一个
期间,都改变相邻的基本矢量的时间,并保证合成的电压空间矢量的幅值都相等,因此,在
取足够小时,电压空间矢量的轨迹是一个近似圆形的正多边形。
开关时间的计算
如上面所述,线性时间组合的电压空间矢量是倍的和倍的的矢量和,即:
式中,
可以事先选定;
可以由U/F曲线确定;
可以由输出正弦电压的角频率w和
的乘积确定。
因此,当已知两相相邻的基本电压空间矢量
和
后,就可以根据(式1-13)来确定
。
还有另一种确定的方法。
当
、
和
投影到平面直角坐标系dq中时,(式1-10)可以写成:
当已知逆阵
和
在平面直角坐标系dq中的投影
后,就可以确定
。
当逆变器单独输出零矢量O000和O111时,电动机的定子磁链矢量
是不动的。
根据这个特点,在
期间插入零矢量t0,使:
通过这样方法,可以调整角频率w,从而达到变频的目的。
添加零矢量是遵循使功率开关管的开关次数最少的原则来选择O000或O111。
为了使磁链的运动速度平滑,零矢量一般都不是集中地加入,而是将零矢量平均分成几份,多点地插入到磁链轨迹中,但作用的时间和仍为,这样可以减少电动机转矩的脉动。
经上述合成方法,最终将得到如图1-5所示的七段式电压空间矢量PWM波形。
点击看原图
SVPWM在SPMC75上的实现
SPMC75系列MCU内部集成的MCP定时器可以方便的产生SVPWM,图1-6所示是用SPMC75实现SVPWM合成的结构框图。
系统包括PWM发生模块、空间向量变换等几部分。
图中的PWM发生器使用SPMC75的MCP定时器实现,MCP定时器内部具有多组比较匹配硬件,系统软件只需要将算出的三个SVPWM合成所需的定时时间值送入相应的比较匹配寄存器就可。
MCP可以自动输出所需的三相六路的互补SVPWM;同时,MCP内部集成死区插入硬件和系统保护逻辑,以最大限度减小用户开发难度。
点击看原图
空间向量变换部分主要实现向量变换、扇区计算和矢量时间计算几种功能,这部分使用软件方式实现。
其计算出的时间直接送到PWM发生器就可以输出所需的PWM波形。
框图中的其它部分也使用软件实现。
SPMC75所使用的u’nSP内核内部集成有硬件乘法器,拥有专用的乘法累加操作指令。
对整个SVPWM的合成提供了极大的帮助。
在24MHz系统时钟时,实现整个SVPWM合成算法只需要21us的运算时间。
结语
凌阳科技公司新推出SPMC75是一系列功能强大的工业级MCU,具有极强的抗干扰能力。
其内部集成有高性能的ADC、增强型的定时计数器等功能部件,强大的定时器和PWM生成功能使其在电机控制领域有非常杰出的表现。
用SPMC75系列MCU可以方便的构成各种电机的高性能驱动系统。
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- 单片机 实现 SVPWM 合成