含三次谐波注入的SPWM在dsPIC30F单片机上的实现

含三次谐波注入的SPWM在DSPIC30F单片机上的实现于洋张加胜中国石油大学华东信息与控制工程学院，山东东营257061技术与应用摘要对于三相电压源型逆变器，采用普通规则采样PWM控制方法，其输出基波线电压的最大幅值仅为直流母线电压的866；增加一定比例三次谐波成分，可将最大调制比增加到115并且不会产生过调制，提高了直流母线电压利用率；利用DSPIC30F单片机实现了三次谐波注入PWM，并给出了实验结果，验证了所用方法的正确性。关键词脉宽调制；三次谐波注入；单片机THEIMPLEMENTATIONOFSPWMWITHTHIRDHARMONICINJECTIONBASEDONTHEDSPIC30FMCUYUYANGZHANGJIASHENGCHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM，COLLEGEOFINFORMATIONANDCONTROLENGINEERING，DONGYING，SHANDONG257061ABSTRACTFORATHREEPHASEVOLTAGESOURCEINVENERTHEMAXIMUMLINETO1INEFUNDAMENTA1VOLTAGEAMPLITUDEISONLYABOUT866OFTHEDCLINKVOLTAGEBASEDONTHENORMALREGULARSAMPLINGPWMSCHEME；BYADDINGAFRACTIONOFTHIRDHARMONICCOMPONENT，THEMAXIMUMMODULATIONINDEXCANBEINCREASEDTO115WITHOUTGOINGINTOOVERMODULATIONANDITIMPLIESABETTERUTILIZATIONOFTHEDCLINKVOLTAGE；THETHIRDHARMONICINJECTIONPWMISIMPLEMENTEDBYUSEOFTHEDSPIC30FMCUANDTHEEXPERIMENTALRESULTSAREGIVENWHICHIMPROVETHECORRECTNESSOFTHEMETHODKEYWORDSPWMTHIRDHARMONICINIECTIONMCU脉宽调制PWM技术被广泛地用于ACDC、DCDC以及DCAC变换器的开环或闭环控制中，利用正弦脉宽调制SPWM控制方法可使三相电压源型逆变器VSI输出幅值、频率和相位均可控的正弦电压。有三种基本的PWM方法，即自然采样PWM、规则采样PWM以及直接PWM。不同的PWM方法有各自的特性及优缺点，包括实现的难易程度、谐波含量、最大调制比等。其中，规则采样PWM实质上是一个线性采样过程，数学公式推导比较简单，可以很方便地通过单片机或DSP利用软件方法来实现。当用规则采样法实现SPWM时，在线性控制区，其调制比的范围是0L，且当调制比为1时，直流母线电压利用率仅为866；通过三次谐波注入，可以提高线性控制区的最大调制比，达到提高直流母线电压利用率的目的。本文针对三相VSI，以DSPIC30F单片机为控制芯片，利用规则采样法，实现三次谐波注入PWMTHIPWM，并给出了相关实验结果，验证了所用方法的正确性。1三次谐波注入PWM图1三相电压源型逆变器的拓扑结构2O11年第9期电童|L技球I49技术与应用三相电压源型逆变器的拓扑结构如图1所示。三相VSI的三相正弦参考信号，即调制信号的数学表达式依次为V一0VOCOSROOTMUDCCOSROOT1VB一。VOCOSROOT一2N3MUDCCOSROOT一2N32即VC一0VOCOSROOT2N3COSCOOT233式中，为直流母线电压的一半，为输出电压的幅值，C为调制比，三相参考信号是相对于直流母线的中点0来定义的。将相电压相减即可得到目标输出波形的基波线电压表达式VABVAOVB0A3CCOSRO0T7C64VBVBOOM43CCOSROOT一7C250一V一0M43CCOSROOT5N66从以上基波线电压信号的表达式可以看出，MI时，基波线电压的最大幅值仅为3，为直流侧电压值2VO的32倍，可以认为PWM的调制过程没有充分利用整个调制空间。如果继续增加调制比M以增加基波输出电压的幅值，将会导致过调制，为避免过调制，可以采用三次谐波注入的方法来增大输出电压值L1J。三次谐波注入法示意图如图2所示，其基本思想是在三相VSI的每一相目标参考波形中注入一定比例的三次谐波成分，以减小相电压的峰值，达到增大调制比同时又不会产生过调制的目的；此外，由于二_三相VSI的拓扑结构以及负载的星形连接方式，二三次谐波在各相桥臂之间得以消除，使得其输出基波线电压中不含三次谐波，这也是该方法的优势之一。CORADSR图2三次谐波注入示意图注入三次谐波后，三相参考电压波形的数学表达式依次为50J电量鼍F技求2011年第9期VA一OC【MCOSROOTM3COS3OOT】7VB一0C【MCOSROOT2N3M3COS3ROOTJ8一0CMCOSROOT2N3M3COS3ROCI，19通过除以MVD将以上各武成化化的形式，VCOSOO7COS30O110其中7M是一个需要优化的参数，它爻映了所注入的三次谐波的比例人小，要找到个域合适的值，以获得最大的调制比同时还要保小会产生过调制。根据文献3，当16，以I火线性控制区的最大调制比115，即通过简单地汴入幅值为基波参考电压幅值L6的_二次谐波，就以使调制ISIDH15；另有一些研究人员提出优化的三次谐波分量的幅值应为基波参考电压的25，这样可以减少谐波畸变，其代价足线性最人调制比从115下降到112。通过以上分析可以看出，次谐波注入PWM可使调制比增大到115同时不会引起过渊制，从提高了直流母线电压的利用率。2单片机实现PWM控制方法采用规则采样法，姚则采样又分为对称规则采样法和非对称规则采样法，_JLL对称规则采样PWM相比，对称规则采样PWM的一个固有缺点是它所产生的额外的边带谐波分会出现在输出电压频谱中，因此非对称规则采样PWM要好一些P】。本文采用非对称规则采样PWM。单片机采用MICROCHIP公司的电彬L电源系例数字信号控制器DSPIC3OF40LL，该单片机具仃1、J的电机控制PWMMCPWM模块，PWM模块有三个占空比寄存器，可以产牛6路输，每个输出引脚均可互补或独立工作；具仃用，补模式的硬件死区时问发生器；具有多种输出模式，包括T事件模式、边沿对齐模式、中心对齐模式等【4。利用MCPWM模块，在PWML卜I断中改变个比寄存器的值，可以很方便地产生所需的PWM波。产生正弦波最简便的方法足使用查表法，J，然也可以使用实时计算法，但实时计算花费时J比较多，因此在程序中建立一个查找表，查找表LLJ仃1024个离散正弦值，包含完整的360。；数据格式采用16位有符号整型格式，其中0X7FFF农永0999而OX8000表示10。每经过个周期性的间隔从该表读出正弦值，将该值经过换算使之符合所允许的占空比范围，然后将它写入占空比寄存器。程序中利用16位指针变量来指示数据表的当前位置，该指针可表示完整的360。，其中OX0000表示0。，0XFFFF表示3599。；当要从数据表中取值时，正弦指针的高10位被用作索引值，低六位可被视作小数位，之所以选择用16位指针是因为这样可以产生很低的调制频率。程序中，以周期性的问隔来调节该指针，并且在每个问隔将固定的增量值加给该指针，则该指针将以固定的频率在表中前移。举例来说，采用异步调制，要获得50HZ的调制频率，载波频率取2184KHZ，则正弦表指针增量值A50X22184，即1500，也就是说如果每次PWM中断，将正弦指针加上1500，将会获得50HZ的调制频率。要生成三相PWM波，通过给指针变量加上固定的偏移值来提供相位偏移，对于16位指针，0X5555提供120。的偏移，0XAAAA提供240。的偏移；每产生一次PWM中断，将这两个偏移值加上当前指针变量值就可为其他两相提供正弦指针。此外，由于采用16位运算，因此若正弦指针加上偏移值后导致溢出，正弦指针将会自动返回起始位置【5J。3实验结果_。000E，I九面2。5MS一EDGE218450KHZI棼国500US驰，EDGEF2HZB图3PWM波形技术与应用VT1400MSSTOPRIMS。EUBEJL蜉2HZ图4PWM波经低通滤波后的波形实验结果如图3、图4所示，采用非对称规则采样PWM法，异步调制，注入了三次谐波，载波频率为2184KHZ，调制波频率为50HZ。图3中A与B均为单片机输出的PWM波，频率约为2184KHZ，B图为局部放大后的结果，从中可以看出PWM波占空比变化的过程；图4为PWM波经RC低通滤波器滤波后的波形，其频率为50HZ，从中可以看出三次谐波注入的效果。从以上实验结果可以看出，实现了THIPWM，达到了预期目的。4结论分析了三相电压源型逆变器采用普通规则采样法实现SPWM的局限性，即直流母线电压利用率比较低，通过简单地注入幅值为基波参考电压幅值L6的三次谐波，就可使调制比增加15。以DSPIC30F4011单片机为控制芯片，采用非对称规则采样法，通过软件编程，实现了三次谐波注入PWM，从实验波形来看，所用方法是合理和正确的。参考文献1GRANT，DA，HOULDSWORTH，JATHEUSEOFHARMONICDISTORTIONTOINCREASETHEOUTPUTVOLTAGEOFATHREEPHASEPWMINVERTERTRANSIEEE，1984，IA一2O512241228【2DCRUS，NSPREDA，ETA1COMPARATIVEANALYSISOFPWMTECHNIQUESSIMULATIONANDDSPIMPLEMENTATION2010IEEEINT