（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的功率变换技术研究.pdf

两北t 业大学赴鲥“卜论文 摘美 a b s t r a c t m o s to ft h ea e r o n a u t i cg r o u n dc o n v e r tp o w e rs y s t e mi sc o n t r o l l e db ya n a l o go r p a r t i a ld i g i t a l i t sv e r yd i f f i c u l tt ou p g r a d eo rm a i n t e n a n c e s oi na l l u s i o nt ot h e s e p r o b l e m ，t h ep a p e ra n a l y s e s t h e t h e o r y o f t h r e e * p h a s e c o n v e r t o rb a s e do n t m s 3 2 0 f 2 4 0t h a ti sam o t o r - c o n t r o l l e rp r o d u c e db yt ic o m p a n y , a n dg i v e st h e e n g i n e e r i n gd e s i g n t h ep a p e rd i s c u s s e sam e t h o dt h a t p r o d u c e s t h e s p w m ( s i n ep u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) w a v e f o r mi nd e t a i l ，w h i c hi s t h ec h a n g e de q u a l a r e aa r i t h m e t i ca n d c o m p a r e sw i t h t h ee q u a l - a r e aa r i t h m e t i c ，a n da n a l y z e st h eh a r m o n i ct h a tp r o d u c e d b y t h ea r i t h m e t i c ，d i s c u s s e st h ep r o b l e mo f d e a d - t i m ea n dg i v e st h er e s o l v e n t a sa r e s u l t ， t h ep a p e rg i v e st h ed e t a i l e ds c h e m eo fh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ed e s i g n f i n a l l y ， t h e p a p e rg i v e ss o m es i m u l a t e dr e s u l t st h a tb a s e do nm a t l a b i ti sad i g i t a lc o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i co f s i m p l ec i r c u i t a n d s c a n t yc o s to fu p g r a d e ，a c c o r d sw i t ht h ed e v e l o p m e n tt r e n do fm o d e r nc o n v e r t o r i tw i l lh a v ew i d ea p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：t h r e e - p h a s ed i g i t a lc o n v e r t o r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r c h a n g e de q u a l a r e aa r i t h m e t i c l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s i m u l a t i o n i i 两北工业大学坝f 。论文 第一章绪论 第一章绪论 本章首先叙述了逆变电源技术的背景以及相关技术的现状，阐述了逆变电源 技术面临的问题。其次指出了逆变电源技术的发展趋势。最后介绍了本课题的在 航空电源系统的应用领域以及本文所做的工作。 1 1 逆变电源技术的发展背景 1 1 1 概述 电源是各种用电设备的动力装置，是电子工业的基础产品。电源技术从电能 变换功能来看，可分为四类：a c d c 变换、d c a c 变换、d c d c 变换以及a c a c 变换。这四种变换技术可以单一使用，但更多的是组合使用。例如图1 1 所示， 将工频市电( 单相或三相) 整流成直流电，通过逆变电路使其成为高频交流电( 或 是再通过整流) 供给负载。其中逆变技术无论是在交流电源还是在直流电源都占 有很重要的位置。 厂 广一厂 硎交叫蝴一黻p 爿整流产 图1 1 常用的电源结构 传统的逆变电源技术采用的是模拟电路控制，在早期的现实条件下，模拟电 路控制满足了一定的要求，但是模拟控制存在许多固有的缺点： ( 1 ) 因采用大量的分散元件和电路板，导致硬件成本偏高，系统的可靠性下 降； ( 2 ) 器件老化及热漂移问题的存在，导致逆变电源输出性能下降，甚至导 致输出失败； ( 3 ) 产品升级换代困难，对同一型号的模拟控制逆变电源，若不改动硬件， 升级是不可能的，每一个新型的逆变电源都要求重新设计、制造控制系统； ( 4 ) 模拟控制的逆变电源的监控功能有限，旦出现故障，要想恢复正常， 技术人员必须亲赴现场。 两北r 业大学顺i ? 论文 第一章绪论 在8 0 年代初期，为了提高逆变电源的通信功能及显示功能，逆变电源的设 计中采用了微处理器，但是，由于微处理器的速度有限，通常只具有给定正弦波 的发生、控制逆变电源的开关及实现保护显示等功能，逆变电源的核心逆变 器的控制仍然需要模拟电路的参与。 9 0 年代以来，半导体工艺尤其是高密度c m o s 技术的发展，微处理器性价 比有了很大的提高。这促使控制领域的新理论、新方法在电源领域有了巨大的应 用空间。它使逆变电源技术在品质、效率、可靠性上取得了长足的进步。另外， 全控电力电子器件的发展为前者提供了发挥的平台。 1 1 2 相关技术的发展现状 电源是电力电子技术的主要应用领域之一，正是电力电子技术的迅猛发展推 动了电源技术的进步，可以说电力电子技术是电源技术的核心。推动逆变电源技 术发展的主要有四个方面的因素，它们是电力电子器件技术，微处理器技术、的 现代控制理论和p w m 控制技术。 1 1 2 1 电力电子器件技术的发展现状 自1 9 5 7 年美国通用电气公司( g e ) 开发的电力电子器件晶闸管问世以来， 电力电子器件经历了四个阶段：以整流管、晶闸管为代表的第一个发展阶段，其 在低频、大功率变流领域中的应用占有优势，很快便完全取代了汞弧整流器。第 二阶段，以g t o ( 门及可关断晶闸管) 、g t r ( 巨型功率晶体管) 等全控器件为 代表的发展阶段，虽仍属电流型控制模式，但其应用使得变流器的准高频化得以 实现。第三阶段，以功率m o s f e t ( 场效应晶体管) 、i g b t ( 绝缘栅双极型晶体 管) 等电压型全控器件为代表的发展阶段，可直接用i c 进行驱动，高频特性更 好。第四阶段，以s p i c ( 智能功率集成电路) 、h v i c ( 高压集成电路) 等功率集 成电路为代表的发展阶段，使电力电子技术与微电子技术更紧密地结合在了一 起，它是将全控型电力电子器件与驱动电路、控制电路、传感电路、保护电路、 逻辑电路等集成在一起的高度智能化的功率集成电路。它实现了器件与电路的集 成，强电与弱电、功率流与信息流的集成，成为机和电之间的智能化接口，进入 全新的智能化时代。这一阶段还处在初期发展中。 1 1 2 2 微处理器技术的以及数字控制技术的发展 2 第一帝绪论 近二十年来，微处理器技术的取得了巨大进步，从1 9 7 4 年美国仙奄 ( f a i r c h i l d ) 公司生产出的第一块单片机( f 8 ) 开始，单片机如雨后春笋般大量 涌现。它使得逆变电源控制系统的性能有了很大的提高。但是它的数据处理能力 有限，不能实现高精度的数字控制，对许多现代控制理论的运用有困难。 近几年来，国外各大公司纷纷推出以d s p ( 数字信号处理器) 为基础的内 核，配以功率变换控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的称为d s p 单 片电机控制器，价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。 d s p 和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强1 0 15 倍，以确保系统有更 优越的控制性能。数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活 性。各种最新的控制理论都需要进行复杂的运算，在以前由于微处理器技术的运 算速度的限制，使得一些新的理论无用武之地，如矢量控制、自适应控制、模糊 控制、最优控制等等，但是随着d s p 技术的发展，这些问题迎刃而解，同时d s p 技术也使一些传统的控制技术如p i d 控制技术焕发一新。 1 1 2 3p w m 控制技术的发展 随着电压型逆变器在高性能电力电子装置( 如交流传动、不阳j 断电源和有 源滤波器) 中越来越广泛的运用。p w m 技术作为这些系统的共用及核心技术。 引起了人们的高度重视。并得到越来越深入的研究。 所谓p w m 技术就是利用半导体器件的丌通和关断把直流电压变成一定形 状的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效的控制和消除谐波的一门技术。人 们习惯的认为，1 9 6 4 年a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 在( ( b b c 评论上发表的文 章，把通信系统中的调制技术应用到交流传动中，产生了正弦脉宽调制( s p w m ) 变频变压的思想。从而为交流传动的推广应用开辟了新的局面眩1 。 p w m 控制信号的最初从采用模拟电路完成三角调制波和正弦波的比较产 生，以控制功率器件的_ 丌关，到目前采用全数字方案，完成实时在线的p w m 输 出。s p w m 控制波的产生从电源角度出发的自然采样法，近似自然采样的规则 采样法，等面积采样法，发展到从控制对象角度( 比如电机) 出发的磁通正弦 p w m 控制技术，以及优化的p w m 技术，包括特定谐波消去s p w m 控制技术 ( s h e p w m ) 1 ，转矩脉动最小p w m 技术( 如图1 2 ) 和随机p w m 控制技术1 2 1 o 随机p w m 控制技术是从改变噪声的频谱分布入手，使逆变器输出电压的谐波成 两北t 业大学顿l 论文 第一章绪论 分均匀的分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械基振的目的。这些技 术为逆变系统的数字化提供了强大的动力支持。 l r 1 l 厂| i 1 0 。| i l ； 3 6 0 。 f 1 8 0 ； l _l 图1 2 转矩脉动最小的p w m 波形 总之，随着全控型电力电子器件技术的不断发展，控制芯片功能的增强以 及p w m 控制技术的不断发展，电力电子装置控制系统的数字化成为可能。 1 2 逆变电源技术的发展趋势 随着人们生活水平的日益提高，经济的迅猛发展，对能源的需求也越来越 大，同时不可再生一次性能源( 如煤炭，石油等) 的不断减少，节约能源及环境 保护日益为人们所重视。电源是节约能源的重要环节，逆变电源技术在保持节约 能源的同时还必须环保无污染。 随着网络技术的发展，对逆变电源的网络功能也提出了更高的要求。高性 能的逆变电源必须满足：高的输入功率因数，低的输出阻抗；快速的暂态响应， 稳态精度高；稳定性高，效率高，可靠性高；低的电磁干扰；智能化：完善的网 络功能。随着高性能的d s p 控制器的出现，逆变电源的可以实现全数字控制。 而全数字控制技术的运用使得上述要求可以得到满足。d s p 能够实时地读取逆变 电源的输出，并实时地计算出p w m 输出值，使得一些先进的控制策略应用于逆 变电源的控制成为可能。对于逆变电源大量非线性电子负载的状况，可以针对非 线性负载动态变化产生的谐波进行动态的补偿，从而使得输出谐波达到可接受的 水平。随着电机控制专用d s p 的出现和控制理论的普遍发展，使得逆变电源的 控制技术朝着全数字化、智能化及网络化的方向发展，逆变电源的数字控制技术 发生了次大的飞跃。逆变电源采用数字控制，具有以下明显优点： ( 1 ) 易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程 度更高，性能更完美。 ( 2 ) 控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动 硬件线路。这样不仅提高了设备的效能，降低了生产成本，而且拓宽了实现不同 两北 业大学倾f 一论文第一带绪论 算法的能力，使许多新的控制理论有了用武之地。 ( 3 ) 控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统( 或不同型 号的产品) ，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。 ( 4 ) 系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过r s 2 3 2 接口或r s 4 8 5 接口或u s b 接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复， 甚至控制参数的在线修改、调试：也可咀通过m o d e m 远程操作。 ( 5 ) 系统的一致性较好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟 器件那样存在差异，所以，其一致性很好，由于采用软件控制，控制板的体积将 大大减小，生产成本下降。 ( 6 ) 易组成高可靠性的大规模逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的 并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控 制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯，或者在模块中实现复杂的均流 控制算法( 不需要通讯) ，从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。 1 3 航空电源系统的现状 1 3 1 航空电源系统的供电现状 航空电源系统由主电源，辅助电源、应急电源、二次电源以及地面电源供电 插座等构成。目前，国内外军、民用飞机所采用的供电系统主要有1 1 5 2 0 0 v 4 0 0 h z c s c f ( 恒速恒频交流) 、1 1 5 2 0 0 v4 0 0 h z v s c f ( 变速恒频交流) 、2 8 v 低压直流 和混合供电系统等4 种。 无论是c s c f 系统还是v s c f 系统都采用了三相制，它与单相制相比有许多 优点。例如，在输送相等功率条件下，三相输电的用铜量为单相输电用铜量的3 4 ： 三相电动机( 负载) 的性能比单相电动机的性能好，结构简单，启动容易；三相 ( 四线) 制有两个电压值( 相电压和线电压) ，因此可以节省一些变压器等。正是 这些有点，使得三相交流电源系统在航空领域得到了广泛的利用。 航空交流电源系统采用一些基本参数： ( 1 ) 采用三相四线制； ( 2 ) 额定电压1 1 5 2 0 0 伏； ( 3 ) 额定频率4 0 0 h z ： 第一章绪论 飞机在机场进行地面检测或者维修的时候，其主电源是不工作的，飞机用电 设备所需电能由机场电源向上供电。本文针对航空供电系统的现状，研究了基于 d s p 技术的地面二次电源系统。 1 3 2 本文所做的主要工作 ( 1 ) 介绍当前交流逆变电源技术的概况及发展趋势，提出了数字控制技术的 应用是未来高质量逆变电源的发展趋势。 ( 2 ) 进行基于d s p 的三相中频静止逆变电源系统的理论分析设计，对系统原 理做了详细的介绍： ( 3 ) 逆变电源系统硬件电路的详细设计，详细介绍各个部分的硬件电路的组 成及原理； ( 4 ) 根据方案设计要求，进行系统软件的设计，详细介绍s p w m 产生及稳压 控制主要程序流程图； ( 5 ) 进行系统中的软硬件的调试、仿真工作及系统的优化分析。 第一章基十d s p 的迤变系统理论分析 第二章基于d s p 的数字化逆变系统理论分析 本章着重论述了逆变电源系统采用的理论技术基础双极性s p w m 控 制波的产生；介绍d s p 的控制器的主要特点以及进行基于d s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 详 细的理论设计。 2 1d s p 控制器的主要特点 在本系统中采用数字化的控制方案，数字化的核心是微处理器技术的应用 目前在逆变电源领域应用比较广泛的有5 1 、9 6 系列的单片机以及t i 公司的d s p 电机专用控制芯片t m s 3 2 0 f 2 系列。和前两者相比，后者具有无可比拟的优 势。后者是属于d s p ( 数字信号处理) 器件，d s p 和单片机有以下一些主要区 别： ( 1 ) d s p 采用改进的哈佛结构。即程序与数据存储空间分开，各有独立的 地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行，就是所谓的流水线结构。而大 多数单片机多数采用的是冯诺依曼结构，所有的操作都必须经过累加器a ，很 容易造成瓶颈效应。同时d s p 还有独立的外设空间，这样不会占用程序或数据 地址空间。 ( 2 ) 采用管道式( p i p e l i n e ) 设计加快执行速度。即采用多数流水作业，取 指令指令译码取操作数执行执行指令同时进行；而一般单片机最多可以实行两级 流水线作业。 ( 3 ) d s p 具有独立的硬件乘法器，同时提供专门的乘加指令一m a c ，并且 在单时钟周期内完成，而单片机乘法至少需要4 个机器周期。 ( 4 ) 为了满足f f t 卷积等数字信号处理的特殊要求，当前的d s p 大多在指 令系统中设鹭了“循环寻址”( c i r c u l a r a d d r e s s i n g ) 及“位倒序”( b i tr e v e r s e d ) 指令 和其它特殊指令，使操作这些寻址排序及计算速度大大提高。 ( 5 ) 新型的d s p 大多设置了单独的d m a ( 直接存储器访问) 总线及其控制器， 在不影响或基本不影响d s p 处理速度的情况下，做并行的数据传输，传输速度 可以达到每秒百兆字节，主要受到片外存储器的限制。 ( 6 ) d s p 具有多处理器接口，这使得多个处理器可以并行或串行工作以提 7 两北t 业人学坝i ：论文第一帝毕于d s p 的逆蹙系统理论分析 高处理速度。 ( 7 ) d s p 的系统设计和软件丌发是一个重要而困难的问题，往往需要相当 规模的仿真调试系统、电缆逻辑分析仪以及其它设备。在多处理系统中，这个问 题尤为突出。为了方便用户的设计和调试，许多d s p 在片内设置了仿真模块或 仿真调试口，在其t m s 3 2 0 系列芯片上设置了具有j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o n g r o u p ) 标准测试接口( i e e e11 4 9 标准接口) 及相应的控制器，从而不但能控制和观察 多处理器系统中每个处理器的运行，测试每块芯片，还可阱用这个接口为那些含 有片内闪速存储器( f l a s hr o m ) 的d s p 芯片载入程序代码。这些简化了程序开 发的过程。 2 2 三相逆变器的s p w m 控制技术 三相逆变器的控制方法有很多种，从最早的三相p a m 控制方式、三相等脉 宽的p w m 控制方式以及三相s p w m 控制方式等。 三相p a m 逆变器的开关次数少，在大功率的逆变装置上得到了广泛应用。 但是它只能调频不能同时调压。在其它应用场合，尤其是中小功率的地方，人们 采用了可以实现同时调频调压的技术，即p w m ( 脉宽调制) 技术。p w m 控制 技术分为等脉宽p w m 控制以及f 弦波p w m ( s p w m ) 控制。等脉宽控制技术 是让逆变器输出电压成等脉宽脉冲状，当改变脉冲之间的间隔定宽调频时，其输 出电压也随之发生变化，达到调频调压的目的。 虽然等脉宽p w m 控制技术可以同时实现调频调压，但是电流波形中还有 较多的低次谐波，在要求输出高品质的逆变电源中显然不能满足要求，于是发展 了正弦p w m ( s p w m ) 控制技术。 在采样控制理论中有一个重要的理论就是：冲量相等而形状不同的窄脉冲 加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。效果相同指的 是惯性环节的输出响应波形基本相同。通常把这个叫做面积等效原理。所谓 s p w m 控制技术就是根据面积等效原理，将正弦波分成n 等分，用一系列等幅 而不等宽的脉冲代替这n 份脉冲，从而形成脉冲宽度按正弦规律变化的p w m 波 形。 s p w m 控制波型的产生又分很多种，如自然采样法，规则采样法，等面积采 样法等等，等面积采样法又有许多变异。自然采样法要解决关于脉冲宽度的超越 8 两北t 业人学倾f 论业 第一：幸甚十d s p 的逆变系统岸论分析 方程，难以实时控制。目前在微机控制系统中用的比较多的是规则采样法和等面 积采样法，规则采样法用近似计算式代替自然采样法的超越方程，可用计算机快 速计算脉冲宽度和脉冲间隔时间；等面积法则是在一个采样周期内，用一个与原 正弦曲线和时间轴所围面积相等的矩形脉冲作为p w m 控制信号。等面积法的 谐波较规则采样法的谐波明显减少1 3 1 1 。本文重点介绍了一种改进的等面积采样 法。 2 2 1 双极性s p w m 波形等面积算法 改进的双极性s p w m 波形等面积算法是基于等面积算法而来的。下面将论 述等面积算法和改进的等面积算法的原理，并进行了比较。 如图2 1 所示，把一个正弦半波分成n ( n 为3 的倍数) 等份，每一 等面积算法 s - ( k ) l 鋈 i l i i i -黑r 、 、 i l 、 、 、 、 一 艿r k 、 、 、 、 、 积算法的中点 l m s i n x d x ( k ) 图2 1 双极性等面积s p w m 波形图 等份的正弦盐线和横轴所包围的面积用一个与此面积相等的矩形面积来代替，采 样周期的几何平均中心和矩形脉冲中心重合，根据面积等效原理，这样由n 个 两北t _ 业大学顿 ：论义 第一市长十d s p 的逆变系统理论分析 等幅不等宽的矩形脉冲和正弦半波加在惯性环节时等效。 如图2 1 所示，设矩形脉冲的幅值为1 2 ，则正弦函数为y = m s i n x ，其中m 为调制比。将正弦半波分为n 等份，则每份长度为n n 。等面积算法中脉冲的 几何中点为采样时刻的中点，即为( 2 k 一1 ) n 2 n 时刻。于是有： k n 4 j s ( k ) =im s i n x d x = m c o s ( k 一1 ) n - - c o s kn n ( 2 - 1 ) 【k l 】x n s o ( k ) = 6 ( k ) 2 s l ( k ) = s 2 ( k ) = ( n 一6 ( k ) ) 4 s o ( k ) 一s 1 ( k ) 一s 2 ( k ) 2 s ( k ) 联立( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 四个方程有： 6 ( k ) = m c o s ( k - 1 ) n c o s k ，i q + 2 n 所以，第k 个的脉冲开关时刻0o i l ，0o f f 分别为 0o n ( k ) = ( 2 k 一1 ) 2 n 一8 f k ) 2 0o f f ( k ) = ( 2 k 一1 ) 2 n + 6 ( k ) 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) f 2 7 ) 2 2 2 改进的等面积采样法 等面积采样法的几何中心为两个采样时刻的中点，即0 = ( 2 k 1 ) n 2 n ， 如图2 1 ，如果几何中心改为正弦面积的几何中心则有： e 。m s i n x d x ：r m s i n x d x 纠) 2 _ _ ，n (2坷)knj 0 一1 k f x 。、 0 ( k ) = 撇。s 扣。s 等小( c 。s 万k 训) h ，2 ，i ，n ( 2 - 9 ) s l ( k ) + s o ( k ) 2 = 0 5 0 ( k ) ( k 1 ) n 】( 2 - 1 0 ) s 2 ( k ) + s o ( k ) 2 = o 5 k n 一0 ( k ) 】( 2 一1 1 ) 显然，相对于等面积算法，在o n 2 里面，改进的等面积算法的中点相 对右移。但是s o ( k ) 的大小没变，而此时的s l ( k ) 和s 2 ( k ) 并不相等，有： eo n ( k ) = e ( k ) 一6 ( k ) 2 k = i ，2 ，n ( 2 - 1 2 ) 0o f f ( k ) = 0 ( k ) + 5 ( k ) 2 k = i ，2 ，n( 2 - 1 3 ) 2 2 3 谐波分析 以s p w m 控制技术为核心d c a c 逆变技术由于其优良的操控性能，在逆 西北t 业大学硕卜论文 第一章堪卜d s p 的逆变系统理论分析 变电源和变频器领域得到了广泛的应用，但逆变电路输出侧产生的高次谐波，对 其负载和周围电气装置产生的负面影响正越来越引起人们的关注。在工业领域， 交流电源的大部分负载为交流电动机。谐波电压和电流会增加电动机的铁损和铜 损，使电动机温度上升，效率下降，并产生噪声，甚至造成电机损坏：谐波还对 通信以及电子设备产生严重干扰，影响周围设备的正常运行，在航空航天领域尤 其要注意这方面的影响。而且，由于电力电子技术正朝着高频高灵敏度高可靠性 多功能和小型化方向发展，致使产生电磁干扰的几率增加。因此，研究控制波形 的谐波特性显得很有必要。 图2 2 双极性s p w m 波形图 如图2 2 所示，采用等面积算法的双极性s p w m 波形图，它是奇对称的 个周期函数。它在( 0 ，) 内可用如下表达式表达： 厂( x ) = ( 口。c o s ( n 0 ) ，f ) + 6 。s i n ( n o ，f ) ) ( 2 1 5 ) o 由于厂( x ) 在( 一n ，) 内奇对称，故a 一0 。如果s p w m 波成1 4 对称 则不含有偶次谐波。有： ，( x ) = 吃s i n ( n o t ) h = l ，3 5 ( 2 1 6 ) 两北工业人学预1 论文第二帚基于d s p 的逆变系统理沦分析 其中： b n = 昙f r m ) s l n ( 叫) d ( c o d 2 去薹【e ：s i n ( ”q r 矽( q r ) 一安麓，。s i n ( n q ，w ( 啡幻一, ( , t , vs i r l ( ”q r ( q 踟 = 昙薹 2 c o s ( n ) - 2 c o s ( 蛾。) + c o s ( 兰垒气产) 一c o s ( 警) ( 2 1 7 ) n = 9 n = 1 5 阿北t 业人学坝 沦立 第一章幕卡d s p 的逆变系绩理论分析 n = 2 7 图2 3 等面积算法与改进的等面积算法的频谱分析图 显然，对于改进的等面积算法，谐波系数的公式没有变，变的是积分区间。 图2 - 3 是运用m a t l a b 进行频谱分析的结果，对应n = 9 ，1 5 ，2 7 。在同样 条件下等面积算法和改进的等面积算法的频谱图相比，可以发现改进的等面积算 法可以提高基波利用率，而且谐波系数个数明显减少，这样有利于滤波器的设计。 从图中可以看出，两者都不存在偶次谐波。由于系统为三相负载，所以3 的倍数 次谐波能够相互抵消，显然谐波畸变率t h d 会更小。 2 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 的s p w m 波产生机理 2 3 1d s p 的事件( e v ) 管理器 t m s 3 2 0 f 2 4 0 有一个事件管理器模块e v ，e v 模块提供了很广范围的功能，它 是形成s p w m 波形的关键。其功能模块包括了三个通用定时器( g p ) 完全比较 单元( c m p r ) 简单比较单元( s c m p r ) 电路。脉宽调制电路p w m 包括了：一 个空间向量s v p w m 电路死区产生电路4 路捕获单元( c a p t ) 以及正交编码眯冲 单元。 e v 模块共有1 2 路p w m 输出，其中g p 计数器比较p w m 输出三路： t l p w m t 1 c m p 、t 2 p w m 厂r 2 c m p 、t 3 p w m t 3 c m p ：6 路完全比较p w m 输出： p w m l c m p l 、p w m 2 c m p 2 、p w m 3 c m p 3 、p w m 4 c m p 4 、p w m 5 c m p 5 、 p w m 6 c m p 6 ；三路简单比较p w m 输出：c m p 7 p w m 7 、c m p 8 p w m 8 、 c m p 9 p w m 9 ；在p w m 的输出模式1 2 t m s 3 2 0 f 2 4 0 共有三种工作模式：通用计数 两北t 业人学顺f 地义第一帝转f d s p 的逆变系统耻论分析 器功能模式、简单比较单元功能模式和完全比较单元功能模式。 通用计数器 t 1 计数器 比较逻辑单元 完全比较寄存器 c m p r x ( x = 1 3 ) 输出逻辑单元 c m p y ，y + l 完全比较动作控制寄存器1 多选器 p w m 电路ij 输出逻辑单元 图2 4 完全比较单元工作原理图 p w m y , y + l ， c m p y y + l 在本系统中使用的是完全比较单元模式，它的功能框图如图2 4 所示。 完全比较单元的时间基准和相关的p w m 电路有通用时间计数器1 提供，当比较操 作使能时，计数器可设置成六种计数模式中的任何一种，只有在通用计数器i 在 连续上下计数模式时，才。有比较输出。在系统中，将输出模式设置成p w m 输出 模式，具有完全比较单元的p w m 电路，可以输出六路具有死区的p w m 信号， o o m n c o m c o n 比较匹配 对称，不对称 波形发生器 空间向量 p w m 状态机 完全比较控 制寄存器 多 选 器 死区 单元 死区时间控 制哥存器 输出 鼹挹 完全比较控 制寄存器 p w m l p w m 6 图2 5p w m 波形产生原理图 从图2 5p w m 电路的功能模块图可以看出本系统的p w m 波形产生原理，它包括 第_ _ = 章甚于d s p 的逆变系统理论分析 以下功能单元：对称不对称波形产生器：可编程死区单元：空间向量p w m 状态 机。对称不对称波形产生器可以产生如图2 6 的波形。 时间值 p w 呱高跳) v w m x ( i i 跳) 2 6 ( a ) 非对称p w m 波形 r 蛉 r 州跳嗡1r 广一 一高! j 号i 啪6 撖高) r j 图2 6 ( b ) 对称p w m 波形 当t l 计数器的值t 1 c n t 与计较单元c m p t l x ( x = 1 ，2 。3 ，注：以下的x 具有相同的 含义) 的设置值相匹配时，有比较控制寄存器c o m p a r ec o n t r o lr e g i s t e rf c o m c o n 、 控制产生对称还是不对称波形，多选器选择对称还是不对称波形和空间向量 p w m 状态机，然后对产生的波形通过死区单元控制寄存器设置死区单元的死区 产生时间，最后通过设置输出逻辑决定是p w m 输出方式。 非对称p w m 信号是由不对称计数模式与p w m 周期的调制脉冲产生的，可由 图2 6 ( a ) 所示。这种波形每个脉冲的宽度只是是在脉冲的一边变化，一般不采 用这种方式。而是采用如图2 6 ( b ) 所示的对称p w m 信号。从图中可以看出对称 p w m 波形的优点在于在每个p w m 周期的起始和结束都有两个同样持续时间的 非作用区域1 2 1 1 。 在软件的设计中，设定不一样的c m p r x 的时间值可以得到不同宽度的脉冲， 这样就可以得到s p w m 波形。具体方式如下：设置c m p r x 的值是按正弦规律变 化的离散值，c m p r x 的装载条件是周期匹配或计数器下溢匹配，即当连续计数 模式下的计数器在计数值达n t l p r 的值时或减到0 时装载下一个c m p r x 。如果 西北工业大学倾卜论史 笫一章 基于d s p 的逆变系统理论分析 要得到双极性的调制波，则可以通过设置c m p r x 的值为一个完整的f 弦离散波 值，幅值中点为t 1 p r 的一半。如图2 7 画出了采用规则采样法萨半波的双极性 s p w m 波形。 。 ， p 图2 7 半个周期双极性s p w m 波 2 3 2 开关时间的计算 t i t n - - - - - - _ 图2 8s p w m 波形生成图 图2 - 8 是d s p 控制器产生s p w m 波形的原理图。t n 相当于三角波的载波 周期。t 1 c n t 为计数器1 。根据2 3 1 介绍，计数器技术模式为连续增减模式。 所以t n 的值由t i p r 来决定。由于采用的是改进的等面积算法，由图2 8 可知， c m p r x 的值必须为每半个载波周期装载一次，即分为c m p r o n 和c m p r o f f 。它 分为两种情况： 1 u 0 ，即正半周时，据图2 8 我们可以得到， 洲k 1 ：c m p r o n ( k ) + c m p r o f f ( k ) 互 2 t 1 p rn f 2 1 8 1 两北t 业犬学硕l 论义 第二章罐十d s p 的逆变系统理论外析 计数值有效期间v t i m e ( k ) 为： v t i m e ( k ) = c m p r o n ( k ) + c m p r o f f ( k ) 一( 2 t i p r - c m p r o n ( k ) - c m p r o f 致k ) ) = 2 ( c m p r o n ( k ) + c m p r o f f ( k 卜t 1 p r ) 据图2 8 我们还可以得到如下公式： 堡兰呈堡! 璺l 垦2 ：( 2 k - 1 ) x 2 n - o o n ( k ) t l p r口，2 ， c m p r o f 坟k )o o f f ( k ) 一( 2 k 一1 ) z 2 n t 1 p r口2 n 所以有： c m p r o n ( k ) ：t 1 p r ( 2 k - 1 ) e r - 2 n x o o n ( k ) ，k ：l ，2 ，n 丌 c m p r o f h k ) = t 1 p r o o f f ( k ) x 2 n - ( 2 k 1 ) n ( 2 - 1 9 ) r 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) k = 1 ，2 ，n f 2 - 2 2 ) “ 由式( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 还可以得到如下公式： c m p r o 越k ) = 6 ( k ) t 1 p r n - - c m p r o n ( k )( 2 - 2 3 ) 显然，在计算时可以根据实际情况采用其中一个公式。 如果系统选用的开关频率为1 2 k h z ，则它的周期t n 为8 3 3 “s 。c p u 的计 数周期t 为5 0 n s 。故可得t 1 p r = t n 2 t = 8 3 4 。所以c m p r 也要相应的转换为o 8 3 4 之剧的计数值。根据系统要求，系统输出基波频率为4 0 0 h z ，则载波比为3 0 。 故由2 2 2 可知，n 取1 5 。 表2 一l 是当n = 1 5 ，m = l 时，得一组开关值。 ik l2345678 i lc m p r o n ( k ) 1 1 64 1 55 5 06 4 77 2 27 7 88 1 58 3 3 ji lc m p r o f f ( k ) 8 0 56 7 77 0 07 4 47 8 68 1 78 3 38 3 3 i lv t i m e ( k ) 1 7 45 1 68 3 2“1 41 3 2 81 5 2 21 6 2 81 6 6 4 ir k 91 0l l1 21 31 41 5 c m p r o n ( k )8 3 3 8 1 77 8 67 4 4 7 0 06 7 78 0 5 c m p r o i f ( k 、8 1 57 7 87 2 26 4 75 5 04 1 51 1 6 v t i m e ( k ) 1 6 2 81 5 2 21 3 2 8l l l 48 3 25 1 61 7 4 表2 一l 从表中可以看出，v t i m e ( k ) 是成正弦变化的，而且具有对称性。c m p r o n ( k ) 1 7 两北工业大学硕j 论文 第一章挂十d s p 的逆二篷系统埋咯分析 与c m p r o 厨k ) 具有对称性，故只要计算一个值即可。公式为： c m p r o f f ( k ) = c m p r e n ( n k 1 k = 1 ，2 ，nf 2 2 4 ) 2 u 0 ，即负半周时，如果我们采用按f 半周理解的方式，如图2 9 所示 显然会有问题。如图2 1 0 所示 s ( k 一1 ) r l n i k t r n 心n 心 ) i k 户 、 s 。t、v 、 o ，i ： ：足) 萋 ， 薹 冀 。_ - 。_ _ _ _ 一s o ( k 图2 9 通常的负半周等面积算法图 在正弦波信号过零时，负半周有效面积就无法得出。因为s 0 u su s ：c 构成了 s u 所对应的正半周有效区间。显然负半周有效区间应浚由s o o 、s s 2 d 构成。 对应式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 有如下计算公式? s d ( k ) = 6 ( k )f 2 2 5 ) s i r k ) + s 2 d ( k ) + s o d ( k ) = 2 nf 2 - 2 6 ) s i n ( k ) + s 2 0 ( k ) 一s o d ( k ) = s ( k )( 2 2 7 ) 2s i d ( k ) + s o r ，= 0 ( k ) 一( k ，1 ) n ，n ( 2 2 8 ) 联合( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) 有： s l o ( k ) = s ( k ) 4 + 8 n + 日( k ) ，2k = i ，2 ，n( 2 2 9 ) s z d ( k ) = s ( k ) 4 + 3 8 n 一0 ( k ) 2k = 】，2 ，nf 2 - 3 0 ) 0o n ( k ) = ( k - 1 ) n n + 2 s w ( k ) = 0 ( k ) - - 4 n + s ( k ) 2 f 2 - 3 1 ) 日o f f ( k ) = k n - - 2 s m ( k ) 2e ( k 卜n 4 n s ( k ) 2 ( 2 - 3 2 ) 0 ( i ( ) 见式( 2 9 ) 。对应的，( x ) 则为： 两北工业人学硕i 论义 第一二章螭十d s p 的逆变系统理沧分析 一1 2 0o n ( k ) 0 0o f f ( k ) k = 1 2 ，n 2( k t ) 5 i n e oo n ( k ) ( 2 3 3 ) o n ( k ) n 0 0l o 0 1 s i g n ( i ) = 0 i = 0 ( 2 - 3 6 ) l 一1 i 0 时，由图2 1 4 可知， 因死区效应输出变正的时问将滞后一个死区时问t d ，如图2 1 j ( 2 ) 所示。为了 校正这误差，可通过软件调整指令参考脉冲的宽度如图图2 ，1 5 ( 3 ) 所示，在 v 1 开通死区产生前给理想驱动脉冲附加一个和误差脉冲宽度相等的补偿脉冲量， 这样，经死区影响后就可以在输出端得到和理想信号相同的输出脉冲。同理得到 电流io 图3 2 1i g b t 的误导通 ( 4 ) 在驱动电路的设计时，得注意i g b t 的栅极和发射极驱动回路的接线必须小 于l m ；i g b t 的栅极和发射极驱动接线得为绞线，适当屏蔽；如果i g b t 的集电 极产生较大的电压尖脉冲，则增加栅极的串联电阻r g 。 j ， 第叫章系统软件i ： 汁 第四章系统软件设计 系统选用了t i 公司的电机专用控制芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 处理器作为控制 芯片，搭建的硬件控制平台。本章首先将介绍基于d s p 的软件设计的一些基本 模式。再介绍s p w m 控制波的形成以及l c d 显示模块的实现。 4 1d s p 软件系统介绍 在本系统的中，c p u 采用，r l 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 j 吝片，对其进行软件编程 和程序空间、数据空间、外部i 0 空间、事件管理模块、模数转换模块和看门 狗等资源进行配置，它与以往的单片机系统的编程模式有了很大的不同，集中体 现为d s p 的存储管理模式和中断系统的差异。 在软件编程语言上，t i 的d s p 带有c 2 0 0 0c o d ec o m p o s e r 集成开发环境。 使得用户可以直接利用c 语言进行开发。同时，t i 的d s p 所带的c 编译器带