基于TMS320F28335的SVPWM信号发生器

 摘要 电压空间矢量脉宽调制能提高直流侧电压利用率，其应用范围已跨越变频调速系统，进入各个领域。文中在分析SVPWM原理的基础上，结合三相H桥逆变电路的特点，介绍了TMS320F28335的SVPWM信号发生器设计，并实现了逆变桥一相断路情况下的SVPWM波。通过硬软件结合，在DSP实验平台上进行了调试和实验观察，给出实验结果波形。实验证明，基于DSP的SVPWM信号发生器具有实现简单方便、易于数字化的特点，能更好地满足功率器件对驱动信号的不同要求，便于实现容错控制。

电压空间矢量脉宽调制技术(Space Vector PulseWidth Modulate，SVPWM)是矢量控制技术实现的重要环节。在电机实现变频调速的控制方法中，PWM的输出是调速系统的最后一个环节，因此对整体系统的性能起到关键作用。SVPWM是PWM波产生技术的一种，具有电压利用率高、谐波成分低、控制功率管开关次数少、功耗小等特点，可以结合矢量算法，最大限度地发挥设备性能，因此被越来越多的变频调速系统所采用。

现有容错控制系统，由于控制器PWM引脚数量和运算能力限制，多采用电流滞环控制方法，而未能充分利用直流侧电压。TMS320F28335是32位浮点DSP控制器，是目前先进的控制器之一，运算能力强，可应用于电机实时控制系统中，具有18路PWM输出，为容错控制系统提供足够的驱动信号。因而，文中介绍了基于TMS320F28335的SVPWM信号发生器的基本原理和方法实现，并对逆变桥故障时的电压空间矢量进行了分析，实现了三相H桥逆变电路正常状态下和一相故障时的驱动信号发生器设计，可应用于容错电机矢量控制系统中。

1 三相SVPWM基本原理

电压空间矢量PWM控制把逆变器和交流电机视为一体，以三相对称正弦波电源供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，通过交替使用不同的电压空间矢量来控制实际磁链轨迹，以追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定变频器的开关模式，形成PWM波。三相H桥逆变电路如图1所示，同一桥臂的两个开关管不能同时导通，每相的H桥具有3种开关状态，用“1”表示T1和T4导通;“0”表示T2和T4导通，“-1”表示T2和T3导通，定义开关状态S=(Sa，Sb，Sc)，则共组成27种开关矢量，-1-1-1～111。

为达到良好的控制效果，选择长度应该为最长且相等的电压空间矢量作为基本矢量。最终正常状态下选用U1～U6、U25、U26作为基本矢量，如图2所示。以A相断相故障为例分析，由于A相开路，此时只能选择第一位是0的电压空间矢量，因而故障状态下选用U14、U16、U17、U19、U21、U24、U0作为电机故障状态时基本矢量，同B、C相断相时分析方法选择基本电压空间矢量。

如图3所示，在一个控制周期Ts内，按空间矢量的平行四边形合成法则，选择与期望输出电压矢量最接近的2个电压矢量，控制其作用时间，使得各开关矢量在平均伏秒意义上与参考电压矢量的控制效果等效，可得式(1)

其中，T1、T2为相邻两电压矢量作用时间;T0表示零矢量作用时间。

设uα、uβ表示参考电压矢量Uout在α、β轴上的分量.可以令

定义变量A、B、C，若Ua>0，A=1，否则A=0;若Ub>0，B=1，否则B=0;若Uc>0，C=1，否则C=0。根据3个A、B、C的值计算扇区N的值：N=A+2B+4C，由式计算的N值对应如图2所示。

2 仿真研究

利用Matlab/simulink工具对所述方法仿真，为验证其正确性和可行性，采用id=0的磁场定向方式，利用三相H桥控制电机。仿真时间为0.2 s，在t=0.1 s时A相断开，在t=0.15 s时采用容错控制，逆变器输出经低通滤波器后的仿真波形如图4所示，低通滤波后B相控制信号的仿真波形如图5所示。当t<0.1 s时，电机正常运行，A、B、C三相互差120°，逆变桥输出的电压为马鞍波，可提高直流测电压的利用率;当0.1

3 1～50 HZ SVPWM信号发生器的实现

TMS320F28335是TI公司最新推出的32位浮点DSP控制器，具有150 MHz的高速处理能力，18路PWM输出，16路12位80 ns A/D转换器，3路SCI，与TI前几代数字信号处理器相比，性能平均提高了50%，并可与定点C28x控制器软件兼容。其浮点运算单元，可以显著地提高控制系统的控制精度和处理器的运算速度，是目前控制领域最先进的处理器之一。

软件分为主程序部分和中断程序部分，图6给出了主程序、PWM中断服务程序及A/D中断服务程序流程图。主程序主要用于系统初始化，设置TMS320F28335的PWM、A/D、IO引脚及CPU中断等系统功能模块的工作方式。PWM中断服务子程序用于计算SVPWM占空比，A/D中断用于改变输出SVPWM波的频率。

在DSP28335中，为了发出正确的PWM波，需对EPWM模块的定时器模块、计数比较模块、比较方式模块、死区模块和事件触发模块相应的寄存器进行配置。系统硬件电路如图7所示，包括：DSP主电路，A/D端口接收电压信号，改变SVPWM输出的频率，EPWM引脚输出SVPWM波形，SCI串行口与单片机相连，发送当前SVPWM的频率值;RC低通滤波电路，方便观察程序是否正确执行，所产生的信号是否为SVPWM波;单片机最小系统，接收DSP传送的信号，显示SVPWM的频率。

4 实验结果分析

为了验证配置好相关寄存器后能否产生正确的1～50 Hz的SVPWM，进行了以下的验证实验。在实验中，设置开关频率为10 kHz，三路EPwm引脚的信号波形如图8所示，调节A/D转换输人电压值，改变输出频率，使得SVPWM频率为1 Hz，将三路信号经低通滤波后的波形如图9所示。在实验中，EPwm x A配置为高有效，EPwm x B配置为低有效，可对其分别设置死区时间，由死区控制(DBCTL)寄存器实现，本程序中设置了EPwm x Regs.DBRED=50：EPwm x Regs.DBFED=50，对应上升延迟约0.67μs，下降延迟约0.67μs，EPwm x A和EPwm x B的波形如图10所示，调节A/D转换器的输入，使得输出频率为50 Hz，EPwm x A和EPwm x B的波形经低通滤波后的波形如图11(a)所示，改变A/D转换器的输入，得频率为2.274 Hz的SVPWM波形如图8(b)所示。A相断开后，改变B相和C相的占空比计算，得断相后的B相控制信号如图12所示，与仿真波形相一致。实验结果验证理论分析的正确性，经简单的寄存器设置，TMS320F28335就能产生PWM波，结合PWM中断和A/D中断，就能实现1～50 Hz的SVPWM信号发生器设计。

5 结束语

介绍了SVPWM的三相H桥电路的基本原理，分析了三相H桥电路的电压空间矢量，给出了正常状态和故障状态下电压空间矢量如何选择，进行了Matlab仿真，验证了所提出矢量选择的合理性，同时通过配置最新的浮点数字信号控制器TMS320F28335芯片的相应寄存器来实现正常和故障时三相H桥控制驱动信号。为电机容错系统设计了一种新驱动信号矢量分配方法，在容错系统设计中有一定的应用价值。