基于XC164的三相SPWM技术研究

王琪

（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032）

PWM技术是利用半导体器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制脉冲宽度或周期以达到改变电压的目的，从而使需要的输出电压在不同负载下或变化的输入电压下保持恒定。但是对于不同的功率器件，不同的负载环境以及不同的输入电压范围等，将会给PWM算法提出不同的要求。目前常用脉宽调制算法有方波PWM技术和正弦波 PWM （Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）技术。SPWM主要应用于有较高精度正弦波输出的逆变电源中[1－2]。随着应用范围的不断拓宽，对于SPWM的各项性能指标提出了更高的要求。例如，为了适应较宽的电压范围，就必须使其有较高的直流电压利用率，也就是说在均匀采样情况下，当调制度M＞1以后，在较大范围内保持调制波和输出基波之间的线性关系。同时，还必须保证三相Vout输出相位准确、谐波分量小，以及算法的实时性强等。笔者结合国内外有关SPWM新动态，在原有算法基础上进行研究和实践，给出了一种满足上述要求的SPWM算法。

1 SPWM算法原理

1.1 原理简介

正弦脉宽调制（SPWM）技术，就是产生与正弦波等效的一系列等幅不等宽矩形脉冲波形[3]。等效原理是，每个矩形脉冲面积与对应位置正弦波面积相等。如图1所示，设矩形脉冲高度为US/2，宽度为 δi，中点角度为 θi，Um为调制正弦波的振幅，n为载波比，则等效面积原理可以表示为：

由（2）式可以明显看出，在载频固定，且给定输出角频率ω1（n=常量）情况下，等效脉冲宽度和调制度M成正比，和脉冲所在位置的正弦值sinθi成正比。也就是说，只要δi按正弦规律变化，SPWM就可以输出正弦电压；δi越宽，输出的电压值越高。

图1 算法原理图Fig.1 Algorithm principle diagram

在传统的SPWM方式下，为了保证输出波形为正弦波，当M=1时，每一桥臂输出电压的基波幅值只能达到0.5Udc。为了弥补直流电压利用率低的缺点，英国S·R·Bowes等人提出了准优化PWM技术。这种方法是利用三相系统中线电压具有自动消除相电压中3k[k=1，2，…]次谐波的能力来实现[3]。由于加入了3次谐波，使基波峰点附近下凹和平坦，当M＞1.2时，才出现过调制。这种方法缺点是SPWM波和正弦波之间的连续过渡问题，同时，容易使相位信息失真，特别是三相不平衡时更严重。参考文献[4]中进一步应用了三次谐波注入技术，它是根据三相调制波的幅度情况，进行瞬间注入量计算，使合成调制波的幅值不超过三角波的峰值。提高了电压利用率，减小了开关次数，但是软、硬件开销较大。另一类提高利用率的方法就是在M＞1之后改变调制波形状。印度V·Kaura等人于1996年提出了一种在时，通过给调制波上迭加上一个方波的方法[5]，这种方法由于在M＞1时要产一个矩形函数S，从而形成组合波形。该算法计算量偏大，而且还要进行相位校正，不利于实时计算。

笔者提出通过对调制函数预先整形的方法来扩展线性范围。这种方法的最大特点是工程上实现容易，不需要相位校正，动态范围超过一般VPPWM（Space－Vector PWM）。可充分发挥单片机优势。

1.2 等效面积补偿法

如图2所示，其中VS表示正弦调制波，横坐标表示角度值。Vms表示预整形后的调制波。当调制度Mi＞1时，调制波VS将会失去M＞1以上的面积（图中阴影部分），可以通过两边的面积进行补偿；使形成的新的波形VmS的基波分量等于VS（图中虚线波形）[4]。显然，欲补偿的有效面积和VS的幅值有关，也和Mi有关。

图2 等效面积补偿算法原理Fig.2 Equivalent area compensation algorithm principle

在M＞1时，可建立如下公式：

（5）式表示Hi是调制度Mi、不同频段载波频率 fpwmi的函数。

从图 2 中，可得出在给定 fpwm情况下，Hi、Mi、αi之间关系：

利用上述关系式，有：

通过给定的Mi，可以确定αi，则VmS波形也就确定。在半周期内，由αi至180°－αi区间上桥臂为全导通状态，此时对应下桥臂处于关闭状态。 仅在 0°至 αi和 180°－αi至 180°区间形成和VS面积相等的PWM波，随着M的增大，αi减小，开关次数也减少。这种算法的最大好处是：计算量小，电压利用率高，在M＞1以后，开关损耗明显下降。

2 SPWM算法的实现

如图3所示，变频调速控制系统采用infineon公司的16位单片机XC164CM作为其制核心实现SPWM算法。XC164CM的特点是：1）采用C166SV2内核，具有5级指令流水线，指令执行时间达到25 ns；2）2 k字节片内数据SRAM，64 kB片内FLASH；3）具有自校检的10位 14路A/D转换器，转换速度2.15 μs。4）具有单周期 16乘 16位乘法、32除16位除法指令，可快速处理复杂的数学运算[6]。

XC164CM的最大优点是：内部CCU6（CAPCOM6 unit，CCU6）单元使电机控制的外部硬件电路大大简化，其强大的运算能力可以完成很多复杂的算法，非常适应于变频调速的电控系统，使用十分方便。

图3 XC164构成的驱动电路Fig.3 XC164 driver circuit

电机控制功能主要在CCU6中完成，CCU6是专门为产生各种数字信号及进行事件捕获设计的，可以产生各类PWM信号以及多路PWM调制的时序信号，同时对给类触发时间或脉冲宽度进行时间测量，非常适用于电机驱动，电力控制等场合。

CCU6单元是由一个定时器模块T12与3个捕获、比较通道和一个定时器T13模块与一个比较通道组成的。定时器T12模块不仅可以独立的产生PWM信号或捕获触发信号，而且可以产生三相6个通道的SPWM信号，驱动交流电机或逆变器；T12模块与T13模块组合使用可以驱动、控制有位置传感器或无位置传感器的直流无刷电机。

三相SPWM波的形成，可以按图4流程进行。由公式（6）、（7）可知，Mi和 αi角度有确定的对应关系，Hi可通过 αi求得。当调制度M＞1时，通过Mi求得相应的Hi，从而构成Vms波形；当M＜1时，按常规方法进行处理，构成VS波形。

3 结 论

利用提出的三相SPWM算法进行实验，可以看出：变频控制器输出的三相电流正弦波失真系数明显下降，如图5所示。且输出波形三相比较平衡，波形质量提高，使得平均噪声与传统变频器相比下降约2 dB，效果令人满意。

图4 SPWM计算流程Fig.4 SPWM calculation process

图5 输出电流波形（横坐标：4 ms/格，纵坐标：2A/格）Fig.5 Output current waveform （x－coordinate:4 ms/case， ycoordinate:2A/case）

[1]林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州：浙江大学出版社，2002.

[2]张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]Bowes，S R，Bullough.Optimal PWM microprocessor-controlled current-source inverter drives [J]. Electric Power Applications， IEE Proceedings ， 1988，135（2）：59－75.

[4]刘志晖，张青，陈坚.一种新颖的三相SPWM技术[J].电力电子技术，1997，31（2）：3－7.

LIU Zhi-hui，ZHANG Qing，CHEN Jian.A novel three phase SPWM technique[J].Power Electronic，1997，31（2）:3－7.

[5]Kaura V，Blasko V.A new method to improve linearity of a sinusoidal PWM in the over-modulation region[J].IEEE Trans.On Ind.Applicat，1996，32（5）：1115－1221.

[6]Weiss R，Kattwinkel T.Sensorless regulation of a brushless dc motor with a C164CM[S].Infinenon Application Note，2001.