潘海鴻,封 華,陳 琳,黃海明,黃炳瓊

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,廣西南寧 530004)

采用TMS320F28335 DSP實(shí)現(xiàn)六相SVPWM*

潘海鴻,封 華,陳 琳,黃海明,黃炳瓊

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,廣西南寧 530004)

多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)是解決低壓大功率驅(qū)動(dòng)的一種重要方式。擬以雙Y相移30°的六相永磁同步電機(jī)為被控對(duì)象,將已有的三相SVPWM算法推廣到六相SVPWM,提出采用TMS320F28335 DSP作為功率驅(qū)動(dòng)器主控芯片,推導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)六相SVPWM過(guò)程中12個(gè)扇區(qū)內(nèi)ePWM硬件模塊控制規(guī)律和實(shí)現(xiàn)步驟。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)六相SVPWM控制方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用TMS320F28335 DSP能夠?qū)崿F(xiàn)算法復(fù)雜的六相SVPWM,輸出波形與理論相符合。

多相電機(jī)；SVPWM；TMS320F28335；數(shù)字信號(hào)處理器

0 引言

多相電機(jī)SVPWM技術(shù)一直是多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)中研究的重點(diǎn)。多相電機(jī)系統(tǒng)與傳統(tǒng)三相電機(jī)系統(tǒng)相比,其具有運(yùn)行可靠性高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、電機(jī)效率高、易實(shí)現(xiàn)低壓大功率輸出等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。然而,多相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制算法復(fù)雜,計(jì)算量大,如何實(shí)現(xiàn)多相電機(jī)的控制是目前電機(jī)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,DSP)運(yùn)算能力強(qiáng),處理速度快,實(shí)時(shí)性好,片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)模塊(eCAP、eQEP、ePWM 等),適用于電機(jī)控制中,已經(jīng)被用于三相SVPWM的控制中。本文擬以雙Y相移30°的六相永磁同步電機(jī)為被控對(duì)象,將已有的三相 SVPWM算法推廣到六相SVPWM,提出采用TMS320F28335 DSP作為功率驅(qū)動(dòng)器主控芯片,根據(jù)TMS320F28335的特點(diǎn)推到出實(shí)現(xiàn)六相SVPWM方法的ePWM模塊控制規(guī)律和實(shí)現(xiàn)步驟。該方法由伏秒平衡原理用扇區(qū)兩側(cè)大矢量合成參考電壓矢量,計(jì)算出各矢量作用時(shí)間,通過(guò)搭建TMS320F28335 DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)12路PWM同步輸出。

1 六相SVPWM控制的基本原理

多相電機(jī)由多相逆變器來(lái)驅(qū)動(dòng),多相逆變器的輸出由控制器來(lái)控制。圖1是六相電壓源逆變器驅(qū)動(dòng)雙Y相移30°永磁同步電機(jī)(PMSM)示意圖,圖1中A、C、E和B、D、F分別為多相電機(jī)內(nèi)部?jī)商?Y繞組。它們?cè)诳臻g上相差30°電角度,通過(guò)六相逆變器驅(qū)動(dòng),在電機(jī)空間有64個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量,與六相逆變器64個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)。采用矢量空間解耦變換將64個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量投影到三個(gè)相互正交的子空間:d-q子空間、z1-z2子空間和o1-o2子空間[4]。借鑒三相SVPWM方法的思想[5],在一個(gè)PWM周期內(nèi),選取d-q子空間最大矢量和零矢量合成參考電壓矢量。

圖1 電壓源逆變器驅(qū)動(dòng)雙Y相移30°PMSM示意圖

如圖2所示,在d-q子空間扇區(qū)2選取扇區(qū)兩側(cè)V48、V56兩個(gè)大矢量和零矢量合成參考矢量V,并定義V48、V56和零矢量作用時(shí)間依次為T(mén)1,T2和T0,采樣周期(PWM周期)為T(mén)s,則根據(jù)伏秒平衡在d-q子空間有公式(1):

圖2 開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量選擇

求解出公式(1)中矢量作用時(shí)間T1,T2和T0,如式(2):

在一個(gè)PWM周期內(nèi),兩個(gè)非零矢量若采用逆時(shí)針順序依次作用,則在扇區(qū)1、4、5、8、9和12內(nèi)橋臂PWM波形出現(xiàn)兩個(gè)脈沖(開(kāi)關(guān)兩次)情況,這不利于控制波形輸出[10]。為此提出采用調(diào)整矢量作用順序的方案,使一個(gè)采樣周期內(nèi)各橋臂功率管只開(kāi)關(guān)一次,12個(gè)扇區(qū)矢量作用順序調(diào)整后的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 12扇區(qū)矢量作用順序表

2 TMS320F28335 DSP實(shí)現(xiàn)六相SVPWM框架

2.1 六相SVPWM開(kāi)環(huán)系統(tǒng)

TMS320F28335片內(nèi)有6個(gè)ePWM模塊同步工作時(shí)能夠輸出6對(duì)互補(bǔ)PWM信號(hào),能夠滿足輸出雙Y相移30°永磁同步電機(jī)所需的12路控制信號(hào)。

圖3是以TMS320F28335為核心的矢量空間解耦六相電機(jī)SVPWM控制的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)輸入?yún)?shù):調(diào)制波頻率f*,矢量控制中的直流分量、；輸出為逆變器6個(gè)橋臂的6對(duì)PWM控制波形信號(hào)。圖3中rampgen模塊用于模擬產(chǎn)生轉(zhuǎn)子位置電角度theta,theta作為i_park變換模塊的輸入,兩直流分量、經(jīng) i_park變換后,輸出參考電壓矢量(Uα和Uβ)到六相 SVPWM模塊,實(shí)現(xiàn)六相SVPWM算法,SVPWM模塊輸出12路比較值到ePWM硬件模塊,最終實(shí)現(xiàn)輸出六相SVPWM波形信號(hào),通過(guò)邏輯分析儀(logic analyzer)對(duì)波形進(jìn)行觀測(cè)。

圖3 六相SVPWM輸出開(kāi)環(huán)系統(tǒng)

2.2 實(shí)現(xiàn)六相SVPWM的ePWM模塊控制規(guī)律

以扇區(qū)1為例,對(duì)六相SVPWM方法ePWM模塊控制規(guī)律推導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)PWM波形輸出,設(shè)置六個(gè)ePWM硬件模塊計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增減模式,則根據(jù)表1,依據(jù)三相SVPWM原理得到PWM在扇區(qū)1的理論波形,由矢量作用時(shí)間T1,T2和T0推導(dǎo)出比較值過(guò)程如圖4所示。

圖4 矢量作用時(shí)間與比較值轉(zhuǎn)換

6個(gè)ePWM硬件模塊需選擇合適的比較值以確定各相PWM波形的上升沿時(shí)間,這里采用的是對(duì)稱(chēng)PWM輸出,下降沿時(shí)間由上升時(shí)間確定。以第一路PWM波形PWM1為例,根據(jù)圖4按照式(3)計(jì)算出Ton1、Ton2、Ton3,上升沿時(shí)間對(duì)應(yīng)比較值Ton1,因而選擇ePWM1模塊比較寄存器CMPA比較值為T(mén)on1。同樣,推導(dǎo)出PWM2 ～PWM5對(duì)應(yīng)的5個(gè)ePWM模塊比較寄存器選取比較值見(jiàn)表2。

表2 扇區(qū)1的ePWM模塊比較值選擇

根據(jù)上述推導(dǎo)過(guò)程,對(duì)扇區(qū)2 ～扇區(qū)6情況進(jìn)行分析,歸納出12個(gè)扇區(qū)PWM波形對(duì)應(yīng)的ePWM模塊控制規(guī)律(表3)。表3中CMPA對(duì)應(yīng)ePWM模塊中比較寄存器A的比較值。

2.3 實(shí)現(xiàn)六相SVPWM算法步驟

根據(jù)表3中12個(gè)扇區(qū)ePWM模塊的控制規(guī)律,在TMS320F28335中實(shí)現(xiàn)六相SVPWM算法的具體步驟如下:

(1)扇區(qū)判斷:根據(jù)參考電壓矢量(Uα,Uβ)進(jìn)行扇區(qū)判斷,確定扇區(qū)號(hào)N,求Uβ/Uα反正切值計(jì)算出參考電壓矢量與d軸正軸所成的角度,按12個(gè)扇區(qū)不同角度范圍確定參考電壓矢量所在扇區(qū)號(hào)N,同時(shí)求出參考矢量與扇區(qū)下邊界矢量夾角 θ。

(2)開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量作用時(shí)間計(jì)算:根據(jù)公式(2)計(jì)算扇區(qū)內(nèi)矢量作用時(shí)間T1、T2和T0。

(3)根據(jù)T1、T2時(shí)間作用順序,完成扇區(qū)內(nèi)矢量作用時(shí)間轉(zhuǎn)換為比較值:如扇區(qū)1,按式(3)計(jì)算比較值Ton1、Ton2和Ton3。

(4)根據(jù)扇區(qū)號(hào)N和推導(dǎo)出的ePWM模塊控制規(guī)律(表3),選擇確定ePWM模塊比較寄存器比較值,實(shí)現(xiàn)12路PWM波形輸出。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖3,搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖5)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由TMS320F28335 DSP、邏輯分析儀、仿真器和個(gè)人電腦(PC機(jī))組成,其中TMS320F28335 DSP作為功率驅(qū)動(dòng)器的主控單元。在CCS 3.3環(huán)境下設(shè)置TMS320F28335 DSP的CPU時(shí)鐘為150MHz,GPIO0-GPIO11引腳為PWM輸出,采樣周期Ts為 200 μ s,主中斷為ePWM1模塊的計(jì)數(shù)器的值為零時(shí)觸發(fā)中斷,六相SVPWM算法(2.3節(jié))在主中斷服務(wù)程序中執(zhí)行。每個(gè)PWM周期內(nèi)控制程序按照ePWM模塊控制規(guī)律(表3)更新ePWM模塊比較值,最終實(shí)現(xiàn)六相SVPWM波形的實(shí)時(shí)輸出。

表3 12個(gè)扇區(qū)ePWM模塊控制規(guī)律

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用邏輯分析儀觀測(cè)PWM控制波形:實(shí)驗(yàn)參考電壓Uα=100V、Uβ=60V,通過(guò)邏輯分析儀觀測(cè)不同扇區(qū)的PWM輸出(圖6)。圖6a為扇區(qū)1的PWM波形輸出,六路波形邏輯關(guān)系與圖4相同；圖6b為扇區(qū)2的PWM輸出,矢量作用順序與理論(表1)相符合；圖6c為輸出6對(duì)帶有死區(qū)的互補(bǔ)PWM波形,符合6相逆變器全橋控制要求[6]；圖6d為扇區(qū)1中a相橋臂帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM輸出,從圖中可知死區(qū)大小為6μ s。這表明 TMS320F28335 DSP的ePWM模塊可實(shí)現(xiàn)6相SVPWM控制波形。

圖6 邏輯分析儀實(shí)驗(yàn)波形

六相SVPWM開(kāi)環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn):根據(jù)圖3設(shè)定f*=100Hz,V*d=0,V*q=100V,死區(qū)時(shí)間設(shè)置為6.4 μ s,通過(guò) CCS3.3的 graph功能查看輸出波形(圖7)。圖7a為a相調(diào)制波形,調(diào)制波周期為0.01s；圖7b為a相與c相調(diào)制波形,a相超前 c相3.4ms,即相位超前約122°,這與理論上120°相位差基本符合；圖7c為a相與b相調(diào)制波形,a相超前 b相0.8ms,即相位相差約29°,與理論上30°相位差基本相符[7]。

圖7 CCS中實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

采用TMS320F28335 DSP作為功率驅(qū)動(dòng)器主控芯片能夠?qū)崿F(xiàn)六相SVPWM。通過(guò)研究TMS320F28335 DSP芯片電機(jī)控制外設(shè)模塊ePWM模塊特點(diǎn),推導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)六相SVPWM過(guò)程中12個(gè)扇區(qū)內(nèi)ePWM硬件模塊控制規(guī)律和SVPWM實(shí)現(xiàn)步驟。在TMS320F28335 DSP平臺(tái)上驗(yàn)證六相SVPWM控制方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)所提出方法的正確性,輸出波形與理論相符合,輸出的多路PWM波形能夠滿足雙Y相移30°的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求,這便于將多相SVPWM方法進(jìn)行推廣應(yīng)用。

[1]王步來(lái),顧偉,褚建新,等.船舶電力推進(jìn)用雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)建模[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(4):347-352.

[2]劉東,黃進(jìn),于文娟,等.空間矢量PWM多相變頻調(diào)速系統(tǒng)非正弦供電技術(shù)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,14(9):41-47.

[3]于飛,張曉鋒,李槐樹(shù),等.五相逆變器的空間矢量 PWM控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(9):40-46.

[4]Zhao Y,Lipo T A.Space vector PWM control of dual three-phase induction machine using vector space decomposition[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1995,31(5):1100-1109.

[5]呂宏麗,鹿玉紅,江培蕾.基于TMS320F240 DSP的SVPWM實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(6-2):200-201.

[6]潘海鴻,陳斌,陳琳,等.考慮零電流嵌位的永磁同步電機(jī)死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償方法[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2010,37(10):1-5.

[7]歐陽(yáng)紅林.多相永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制方法的研究[D].湖南:湖南大學(xué),2005.

(編輯 趙蓉)

Implementation of Six-phase SVPWM with TMS320F28335 DSP

PAN Hai-hong,FENG Hua,CHEN Lin,HUANG Hai-ming,HUANG Bing-qiong
(College of Mechanical Engineering,Guangxi University,Nanning Guangxi 530004,China)

Multi-phase motor drive is an important method to achieve the low-voltage and high-power drive.A dual three-phase Permanent-magnet Synchronous Motor(DTPMSM)is selected as the research object.The three-phase SVPWM algorithm is extended and popularized to the six-phase SVPWM.A chip of TMS320F28335 DSP is proposed as the power driver control chip to realize six-phase SVPWM.The control regular pattern of epwm hardware module within 12 sectors is derived and its implementation steps are presented.An experimental platform with TMS320F28335 DSP was build to realize the sixphase SVPWM control.The experimental results indicate that the TMS320F28335 DSP is suitable to implement the complex process of six-phase SVPWM,and the output waveforms of six-phase SVPWM are correspond to these of the theory.

multi-phase motor；space vector pulse width modulation(SVPWM)；TMS320F28335；digital signal processor(DSP)

TH16；TG65

A

1001-2265(2011)10-0053-04

2011-03-28

廣西科技攻關(guān)(桂科攻10100001-2)；南寧市科技攻關(guān)(201003067G)；廣西教育廳科研項(xiàng)目(201106LX002)

潘海鴻(1966—),男,廣西武鳴人,廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授,工學(xué)博士,研究方向?yàn)楦咚俑呔\(yùn)動(dòng)控制、伺服電機(jī)控制,(E-mail)hustphh@163.com。