胡永勝，周向陽，劉宇琦

(中航工業(yè)動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫　214063)

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基于DSP 的變頻調(diào)速SPWM控制實(shí)現(xiàn)

胡永勝，周向陽，劉宇琦

(中航工業(yè)動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫214063)

由于正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)動(dòng)態(tài)特性好,能明顯地提高電動(dòng)機(jī)的效率,因此在電機(jī)控制中得到了廣泛的應(yīng)用；介紹了以數(shù)字信號(hào)處理器SM320LF2407A 為核心的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng),采用SPWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了變壓控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度的限制；試驗(yàn)結(jié)果表明,采用SPWM 技術(shù)的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良和安全可靠的特點(diǎn)。

DSP；SPWM；FADEC

0　引言

與以往的機(jī)械液壓控制系統(tǒng)和模擬電路控制系統(tǒng)相比，數(shù)字控制系統(tǒng)具有更加靈活、控制精確、抗干擾能力更強(qiáng)、設(shè)備尺寸更小、性能穩(wěn)定和易于維護(hù)等特點(diǎn)[1-2]。針對(duì)前期某模擬式溫度控制放大器在與執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同工作時(shí)，出現(xiàn)溫度限制失效、故障無法定位、故障率高等問題，嚴(yán)重影響飛機(jī)的出勤率[3]，故啟動(dòng)數(shù)字式溫度控制放大器的研發(fā)工作，目標(biāo)是可實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬式溫度控制放大器的互換，并且還要具備故障定位、故障重構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等[4]能力。文中主要描述某數(shù)字溫度控制放大器如何利用DSP實(shí)現(xiàn)SPWM波，并調(diào)制成正弦波控制信號(hào)，進(jìn)而控制燃調(diào)通道伺服電機(jī)，以此來調(diào)節(jié)燃油流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪排氣溫度T6和高壓壓氣機(jī)出口溫度T3限制。

1　SM320LF2407A簡(jiǎn)介

SM320LF2407A是TI公司的DSP芯片，晶振頻率可達(dá)到10 MHz。該芯片集成了存儲(chǔ)單元、兩個(gè)可獨(dú)立使用的事件管理器模塊、16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、SCI串行通訊接口及SPI串行通訊口等[5-6]。

兩個(gè)事件管理器模塊功能相同，每個(gè)事件管理器包含兩個(gè)16位通用定時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立配置和關(guān)聯(lián)配置，實(shí)現(xiàn)同步定時(shí)和頻率設(shè)定；包括8個(gè)16位的脈沖寬度調(diào)制(PWM)通道，可以根據(jù)用戶設(shè)定，實(shí)現(xiàn)PWM的對(duì)稱和非對(duì)稱波形；3個(gè)輸入捕獲單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率量信號(hào)的采集。

該數(shù)字溫度控制放大器通過DSP的PWM3和PWM4輸出引腳，來控制燃調(diào)通道的高邊控制信號(hào)和低邊控制信號(hào)，通過數(shù)字硬件驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)制成正弦波控制信號(hào)，以此來控制伺服電機(jī)。通過SPI串行通訊口外接一片ST公司的SPI接口的串行FLASH芯片M25P16，容量為16 Mbit，用于歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和可調(diào)整參數(shù)存儲(chǔ)。

2　SPWM工作原理和生成SPWM波算法

本文描述SPWM的實(shí)現(xiàn)原理。采用一組等腰三角形波與一個(gè)正弦波進(jìn)行比較[7-8]，如圖1所示，以三角波波峰和波谷為對(duì)稱點(diǎn)繪制對(duì)稱軸，對(duì)稱軸將與正弦波相交，在相交點(diǎn)沿時(shí)間軸正向畫平行于時(shí)間軸的線，并再次與三角波相交，三角波上升沿相交點(diǎn)作為SPWM波上升沿，三角波下降沿相交點(diǎn)作為SPWM波下降沿，則可反推形成一組SPWM波形。我們將這組等腰三角形的波稱為載波，正弦波則稱為調(diào)制波。通過軟件計(jì)算SPWM波形占空比，按一定頻率輸出，經(jīng)過調(diào)制電路，即可形成如圖的模擬正弦波信號(hào)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整SPWM占空比和輸出頻率，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦波的頻率和幅值控制。通過調(diào)整SPWM頻率就改變正弦波的頻率，就可以改變輸出電源的頻率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速；通過調(diào)整SPWM占空比改變正弦波的幅值，也就改變了正弦波與載波的交點(diǎn)，是輸出脈沖系列的寬度發(fā)生變化，從而改變了輸出電壓。本文描述數(shù)字式溫度控制放大器只通過調(diào)整正弦波的幅值來調(diào)整電機(jī)的輸出力矩，進(jìn)而有效地控制伺服電機(jī)。

圖1　SPWM波生成方法

產(chǎn)生SPWM信號(hào)的方法可分為硬件法和軟硬件綜合法兩種[9-10]。硬件法通過專門的集成電路設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)純硬件調(diào)制電路，轉(zhuǎn)換速度快，無實(shí)時(shí)性考慮。軟硬件綜合法是綜合硬件和軟件各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)成本最低、設(shè)計(jì)靈活、便于維護(hù)和升級(jí)的調(diào)制方法，它通過實(shí)時(shí)計(jì)算來生產(chǎn)SPWM波，但是實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)控制器的運(yùn)算速度要求非常高。DSP是高度集成的可實(shí)現(xiàn)軟件結(jié)合的數(shù)字芯片，能夠滿足本課題的需求。用DSP實(shí)時(shí)計(jì)算SPWM的方法有很多種，下面僅介紹該數(shù)字式溫度控制放大器中使用的不對(duì)稱規(guī)則采樣法。

圖2是正弦波和三角波所生成的SPWM 波之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，圖中是三角波峰值，是三角波周期，正弦波與三角波的對(duì)稱軸產(chǎn)生一個(gè)交點(diǎn)，做平行于時(shí)間軸的平行線，平行線與相鄰三角波會(huì)有一個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)處則為SPWM電平翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。每個(gè)三角波兩腰都會(huì)有一次翻轉(zhuǎn)SPWM電平，t1和t2分別是這兩次翻轉(zhuǎn)時(shí)刻，它們決定SPWM波上的“高”、“低”電平時(shí)間分別為toff1、ton1、ton2和toff2。

圖2　不對(duì)稱規(guī)則采樣法生產(chǎn)SPWM波

由圖2可得，當(dāng)在三角波的頂點(diǎn)對(duì)稱軸位置t1時(shí)刻，則有：

(1)

(2)

當(dāng)在三角波的底點(diǎn)對(duì)稱軸位置t2時(shí)刻，則有：

(3)

(4)

根據(jù)三角形相似原理，可得：

(5)

(6)

(7)

(8)

ω是正弦波的角頻率，其對(duì)應(yīng)的周期在本數(shù)字式溫度控制放大器中等于電源頻率400 Hz(周期則為2.5 ms)。

令三角波頻率fc與正弦波頻率f之比為載波比N，因此：

(9)

由于每個(gè)載波周期采樣2次，所以：

(10)

(11)

式中,k為采樣序號(hào)，由(9)、(10)、(11)式，可得：

代入(5)～(8)式中，則有

(12)

(13)

式中，M=UM/US及正弦波峰值與三角波峰值之比，M稱為調(diào)制度。M值的取值范圍為0～1；M值越大，輸出的SPWM電壓越高。該不對(duì)稱規(guī)則采樣法既在三角波的頂點(diǎn)對(duì)稱軸位置采樣，又在底點(diǎn)對(duì)稱軸位置采樣，也就是每個(gè)載波周期采樣兩次，這樣所形成的階梯波與正弦波的逼近程度會(huì)大大提高，所以諧波分量的幅值更小，更有利于電機(jī)控制。

由于2407芯片不提供內(nèi)嵌的正弦函數(shù)插值表，因此需要通過自建正弦插值表或者實(shí)時(shí)運(yùn)算的方法來計(jì)算正弦值。該數(shù)字式溫度控制放大器是通過編寫專用的匯編語言，通過實(shí)時(shí)運(yùn)算的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦值計(jì)算的，根據(jù)(12)、(13)式，經(jīng)過泰勒級(jí)數(shù)展開，考慮精度要求，截去3 階以上部分。編寫的匯編語言如下：

asm(" MAR *,AR2");

asm(" LAR AR2,#1h");

asm(" MAR *0+");

asm(" SBRK #4h");//(ARP=AR1-4) ->uAngle

asm(" SQRS *");

asm(" LACC #680h,0");// load 1664 to ACC

asm(" ADRK #5h");// (AR1+1) = 1664

asm(" SACL *+");

asm(" LACC #1110h,15");

asm(" SPM #1h");//PM = 0x01,left move 1

asm(" SPH *");

asm(" LT *-");// load uAngle_2 to T

asm(" MPY *");

asm(" SPM #0h");//PM = 0x00

asm(" SPAC");

asm(" ADRK #2h");

asm(" SACH *,1");

asm(" LACC #1555h,15");

asm(" MPY *+");

asm(" SPAC");

asm(" SACH *,1");

asm(" MPY *+");

asm(" LACC #7FFh,15");

asm(" SPAC");

asm(" SACH *,4");

asm(" SBRK 9");// (ARP = AR0-5) = uAngle

asm(" LT *");// Load uAngle to T

asm(" ADRK 9");//(ARP = AR1+5) = Temp3

asm(" MPY *+");asm(" SPM #2h");

asm(" SPH *");

asm(" SBRK 11");// load T1Per to (T)

asm(" LT *"); // (ARP) = T1Per

asm(" ADRK 11"); // (ARP) = sin

asm(" MPY *+");

asm(" SPM #1h");

asm(" SPH *");// (ARP) = sin*T1Per

asm(" CLRC C");

asm(" LACC *,0"); // Get sin value

asm(" SPM #0h");

asm(" MAR *,AR1");

3　伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的作用是產(chǎn)生不大于26 VAC的400 Hz正弦信號(hào)給防喘通道伺服電機(jī)控制繞組。該電路由高邊電源(+15 V)電路、高邊控制驅(qū)動(dòng)電路、低邊電源(+15 V)電路和低邊控制驅(qū)動(dòng)電路組成。

PWM3的占空比按400 Hz正弦波正半周的變化規(guī)律而變化，在正弦波的負(fù)半周時(shí)則一直保持為低電平，因此高邊驅(qū)動(dòng)電路的輸出信號(hào)是一個(gè)正半周的正弦波信號(hào)，低邊驅(qū)動(dòng)控制電路原理類似，輸出為負(fù)半周的正弦波信號(hào)，高邊和低邊驅(qū)動(dòng)電路輸出疊加成一個(gè)完整的400 Hz的正弦波信號(hào),其有效值不大于26 V。該電路的輸出信號(hào)直接提供給伺服電機(jī)控制繞組。伺服電機(jī)的勵(lì)磁信號(hào)保持與400 Hz的電源同步。

4　SPWM控制實(shí)現(xiàn)

該數(shù)字式溫度控制放大器控制原理如圖3所示，設(shè)定的基準(zhǔn)T6std和T3std和當(dāng)前采集的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪排氣溫度T6 和高壓壓氣機(jī)出口溫度T3 構(gòu)成外部閉環(huán)，通過二階環(huán)節(jié)計(jì)算獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速給定，對(duì)兩個(gè)回路的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行低選，使先達(dá)到超限值的限制回路起作用。通過頻率采集電路獲得測(cè)速電機(jī)轉(zhuǎn)速，與外環(huán)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速給定形成內(nèi)部閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃調(diào)通道伺服電機(jī)的串行閉環(huán)控制，通過計(jì)算獲得調(diào)制度，根據(jù)值可進(jìn)行SPWM調(diào)制，最終驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)動(dòng)作，調(diào)整供油限制線，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的限制。

圖3　溫度限制控制原理圖

依據(jù)伺服電機(jī)的工作原理，控制信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)成正交情況下，可獲得效率最高的力矩，在此課題中，采用圖4的設(shè)計(jì)流程圖可實(shí)現(xiàn)對(duì)相位超前、滯后的判斷。

在本課題中，控制周期為2.5 ms，SPWM的占空比輸出周期為50，因此每個(gè)控制周期根據(jù)M值計(jì)算出50個(gè)分段占空比值給逆變電路，可實(shí)現(xiàn)SPWM的調(diào)制信號(hào)輸出，已達(dá)到控制伺服電機(jī)的目的。電源頻率與伺服電機(jī)激勵(lì)信號(hào)頻率同步，因此本課題采用實(shí)時(shí)跟蹤電源頻率的方式獲得激勵(lì)頻率，在計(jì)算出M值后：

1)根據(jù)M值的符號(hào)，利用獲得的激勵(lì)頻率相位，確定控制信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)的相位差；

2)根據(jù)M值幅值，結(jié)合相位差，計(jì)算SPWM相位步長(zhǎng)DeltDeg；

3)根據(jù)相位步長(zhǎng)DeltDeg來更新每50需輸出的占空比。

圖4　相位判斷流程圖

該數(shù)字式溫度控制放大器通過與發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試車，T6的限制如圖5所示，T6_Std設(shè)定的值為670℃，T3_Std設(shè)定的值為541℃，發(fā)動(dòng)機(jī)在完成起動(dòng)后，上推狀態(tài)，使T6持續(xù)上升，當(dāng)接近限制值時(shí)，限制回路參與控制，此時(shí)T3并未達(dá)到541℃的限制值。從圖中數(shù)據(jù)M值可看出發(fā)生了變化，n_CASC也反映出伺服電機(jī)的快速調(diào)整，經(jīng)過限制之后，T6被限制在T6_Std，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的T6溫度限制。

圖5　T6限制控制曲線

T3的限制如圖6所示，T6_Std設(shè)定的值為720℃，T3_Std設(shè)定的值為541℃，發(fā)動(dòng)機(jī)在完成起動(dòng)后，上推狀態(tài)，使T3持續(xù)上升，當(dāng)接近限制值時(shí)，限制回路參與控制，此時(shí)T6并未達(dá)到720℃的限制值。從圖中數(shù)據(jù)M值可看出發(fā)生了變化，n_CASC也反映出伺服電機(jī)的快速調(diào)整，經(jīng)過限制之后，T3被限制在T3_Std，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的T3溫度限制。

圖6　T3限制控制曲線

從圖5和圖6可以看出，采用T3和T6回路低選，可以有效的保證先達(dá)到限制值的信號(hào)優(yōu)先被選擇參與限制控制。而且數(shù)據(jù)也可以直觀的反映出限制及時(shí)，通過測(cè)量響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，可以很好的滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)溫控器提出的溫度限制的性能需求。

5　結(jié)束語

數(shù)字式溫度控制放大器具備模擬式不可跨越的優(yōu)勢(shì)。它簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，在減輕重量的同時(shí)也提高了硬件可靠性；通過軟件能夠快速的控制方案，可以靈活的增加控制補(bǔ)償和修正；實(shí)時(shí)計(jì)算的SPWM波形可以有效的減小諧波分量，提高馬達(dá)的輸出力矩，能有效的防止伺服電機(jī)卡死；通過保存在Flash芯片中的歷史數(shù)據(jù)，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)以及數(shù)字式溫度控制放大器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行的事后分析。通過對(duì)模擬式溫度控制放大器的性能對(duì)比、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)、裝機(jī)試驗(yàn)等各環(huán)節(jié)驗(yàn)證，證明數(shù)字式溫度控制放大器功能、性能均優(yōu)于模擬式溫度控制放大器，現(xiàn)已能交付用戶使用。

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Realization of Variable-Frequency Speed Variation SPWM Controlling Based on DSP

Hu Yongsheng，Zhou Xiangyang，Liu Yuqi

(Avic Aviation Motor Control System Institute,Wuxi214063,China)

The technique of Sine Pulse Width Modulation (SPWM) which has fine dynamic characteristic can increase the motor efficiency obviously,so it has been used in the motor control widely. A closed-loop temperature control system based on the Digital Signal Processor (DSP) SM320LF2407A is introduced in this paper,and the variable voltage control strategy has been implemented with SPWM. The results on the tests show that the temperature control system with SPWM has many merits such as simple realization,good running performance and safety.

DSP; SPWM; FADEC

1671-4598(2016)04-0061-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.019

TP273

A

2015-07-04；

2015-11-22。

胡永勝(1979-)，男，安徽績(jī)溪人，碩士，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)方向的研究。