基于DSP的SVPWM控制在PCS中的应用

方 磊， 高文根

(安徽工程大学检测技术与节能装置安徽省重点实验室， 安徽 芜湖 241000)

基于DSP的SVPWM控制在PCS中的应用

方 磊， 高文根

(安徽工程大学检测技术与节能装置安徽省重点实验室， 安徽 芜湖 241000)

以提高直流电压的利用率、降低功率变换系统(PCS)的交流网侧电流波形畸变为目标，介绍了空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)的基本理论以及型号为TMS320F2812的数字信号处理(DSP)芯片的内部配置和硬件结构，阐述了数字信号处理器(DSP)生成SVPWM波形的原理和方法，采取合适的基本矢量与零矢量的顺序而组成七段SVPWM波形，将开关损耗和谐波分量尽可能地降到最低。在CCS3.0仿真软件上进行编程，对DSP中所用到的寄存器进行初始化配置，并根据系统的需要选择合适的IGBT模块，设置所需要的安全死区时间，并搭建实物平台对其进行验证实现。结果表明，系统可以很好地输出电压的波形，并表现出较高的电压转换效率。

DSP；空间矢量脉宽调制；能量转换

引 言

当前，面对人类社会不可再生能源的大量消耗和环境的恶劣变化，能源面临枯竭的前提下，新型可再生清洁能源成为了人类社会当前和未来的重要研究内容，它关系着一个国家的国民生活质量。近些年来，含有大量分布式电源(DG)的微电网[1-3]成为国内外研究的焦点。微电网中的 DG 主要有风电、光伏、储能电池等，其中大部分 DG 均需要通过功率变换系统(PCS)接入到微电网中。相比而言，太阳能是目前人类最熟悉也是最容易获取的清洁能源，并且取之不尽用之不竭。由此产生了以太阳能光伏发电为核心的新能源产业。由于光伏电池板发出的电能是直流的形式输出，而且目前使用的大部分家用电器设备都是由大电网所提供的交流电进行供应，同时光伏发电的最终目的是为了将光伏的电能注入公共电网，以扩大整个电网的发电容量。因此，PCS作为光伏并网发电技术的关键设备，可以实现光伏电池直流电源与交流电网之间的双向能量传递，近年来已经成为一个十分热门的研究课题。

本文采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，提高了直流电压利用率，降低了电流波形畸变[4]，结合硬件平台对该算法进行验证。本文采用DSP生成SVPWM波作为控制信号，以改善PCS的输出性能及提高PCS的可靠性。

1 SVPWM调制

1.1 SVPWM调制的基本原理[5-8]

电压空间矢量脉宽(Space Vector PWM，SVPWM)控制是以一个在空间旋转的电压矢量去等效目标的三相交流电压，从而将对三相交流电压分别控制转变为由一个空间矢量共同控制的方式，用逆变器不同的开关模式产生的基本单位矢量去合成，使其在三相逆变上可以达到非常高的控制性能。

设输出的三相交流各相电压为：

VA=Umcosωt

VB=Umcos(ωt-120°)

VC=Umcos(ωt-240°)

式中：Um为相电压基波幅值，角频率ω=2πf，f为基波电压频率。

VA=Ucosωt=Ud

图1 空间矢量

针对于图2中三相桥式逆变器[9]，用Sa、Sb、Sc来表示A、B、C桥臂的开关状态变量，则有：

共有23=8种开关状态，由图2可知Sa、Sb、Sc同时为0或者1时，即三个桥臂的上桥臂同时开通或者下桥臂同时开通时，每两相间输出的线电压为0。故可得6个非零矢量U1(1 0 0)、U2(1 1 0)、U3(0 1 0)、U4(0 1 1)、U5(0 0 1)、U6(1 0 1)和2个零矢量U0(0 0 0)、U7(1 1 1)，把360°区域划分成了6个60°的扇区，如图3所示。

图2 三相桥式逆变器

图3 基本电压空间矢量图

(1)

其中T0的主要作用是用来调节各矢量的分配比例，从而改变输出电压的幅值大小。

(2)

把式(2)代入式(1)，可得：

(3)

图4 等效空间矢量U的形成

1.2 空间电压矢量所在扇区的判断[10]

N=4sign(UC)+2sign(UB)+sign(UA)

扇区号与N的对应关系见表1。

表1 扇区号与N的对应关系

1.3 矢量作用时间的确定

定义X、Y、Z三个变量：

则对应扇区基本单位矢量的作用时间见表2。

表2 各个扇区非零矢量的作用时间

若出现Tx+Ty>Ts，即出现过调制现象，需进行归一化处理：

1.4 确定空间电压矢量切换点

一般情况下，尽可能让PWM波形对称，从而减小输出波形中的谐波分量，同时为了减小开关次数而降低开关损耗，本文用3段零矢量和4段组成某一扇区的两个非零矢量来组成七段式SVPWM波形，其中SVPWM波的开始、中间和末尾用3段零矢量来构成，其他则由两个非零矢量平分成4段对称放置。定义各切换点时间为Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3，当电压矢量在1、3、5扇区时：

当电压矢量在2、4、6扇区时：

设Ta、Tb、Tc分别表示三相桥臂切换点时间，则对应的时间表见表3。

表3 各扇区桥臂切换点的对应时间

2 基于TMS320F2812DSP硬件平台搭建

2.1 硬件结构[11]

TMS320F2812DSP的片内外设包含有2个事件管理器EVA和EVB，每个事件管理器都含有通用定时器1(或2)、3个全比较单元CMPRx(x=1,2,3)、死区发生单元及输出逻辑，通过对上述的配置来生成六路互补的SVPWM波形，如图5所示。对全比较单元编程使其工作在PWM模式下，引脚GPIO/PWM为PWM输出方式。所需要的周期载波信号一般是由EVA定时器1的周期寄存器设置生成，由于载波的频率和周期是成反比的，所以通过改变周期寄存器的值就可以改变载波频率的大小。在TMS320F2812中，定时器的计数模式是通过设置TMODE的值来确定的，在此处需要用到连续增/减计数模式，所以设置TMODE=1。在该计数方式下，定时器1计数器(T1CNT)一般是从零开始计数，在增加至周期寄存器(T1PR)的值后重新减小到零，如果起始大于T1PR，则其先增至0xFFFF后突变成零，再重新按上述方式循环。此时若计数器在变化的过程与比较寄存器中的值(CMPRx，x=1，2，3)相同时，即发生了匹配中断事件，产生了一个中断信号，该信号经过了波形发生器后生成PWM的脉冲信号，用来控制PWM电路中的开通与关断，此时另一路互补的PWM_信号通过死区单元产生，这一对互补的驱动信号用来控制同一相中的2个IGBT模块[12-13]。

根据Infineon公司关于死区的表达式进行计算：

tDT=[(tdoffmax-tdonmax)+(tpddmax-tpddmin)]*1.2

(4)

其中tdoffmax为IGBT的最大的关断延迟时间，tdoffmin为IGBT的最小的开通延迟时间，tpddmax为IGBT的最大的驱动信号传递延迟时间，tpddmin为IGBT驱动板发出信号到IGBT模块的最小延迟时间，1.2为安全裕值。

图5 生成SVPWM硬件电路框图

根据所购产品的技术参数，将参数带入式(4)得到死区时间tDT=0.84us，为考虑到充足的安全性，故设定为5 us。

调制方式如图6所示。其中，周期为Ts的载波与各扇区空间矢量转换规则共同决定了SVPWM波。为保证三角波的斜率为1，将其幅值确定为Ts/2。

图6 SVPWM的调制方式

根据以上的原理描述和设计思路所搭建的PCS平台，如图7所示。

图7 基于DSP2812的PCS平台硬件实物

2.2 软件设计流程[14]

该PCS系统的软件程序是在 Code Composer Studio v3.3 开发环境下采用C语言编程，其主要的流程如图8所示。程序的开始先对整个系统的硬件进行初始化，配置GPIO引脚和片上外围资源，计算出开关频率和产生中断。若中断发生，则系统进入到中断所对应的程序执行SVPWM子程序，如图9所示，将三相电压的进行abc/αβ坐标变换，对所在的扇区进行判断，从而计算出其所在扇区的基本电压矢量的作用时间，并将其赋值给比较寄存器COMP[1,2,3]。

图8 PCS系统的主程序框图

图9 SVPWM生成子程序

2.3 运行结果

基于以上所搭的PCS硬件平台进行实验，使用锂电池组作为稳定的直流源输入，将其接入到PCS平台中，运行得出的A、B两相的电压波形，如图10所示。由于探针输入端口有限，故只能同时三相中的任意两相。从图10可以看出，利用SVPWM控制方法可以正常输出频率为50 Hz的正弦电压，但由于采用了开环控制方式，故波形会有一些毛刺，在采用双环控制后，波形会表现出平滑效果[15]。

图10 输出端的电压波形

3 结束语

在直流电压的利用率方面，SVPWM调制要比传统的SPWM调制明显提高了很多。而DSP有着丰富的外设资源和高速的数字运算能力，为SVPWM调制提供了强大的运算支撑，使系统更好地进行数字化控制以及对系统可靠性的提升。

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DSP-Based Space Vector PWM Control Applications in PCS

FANGLei,GAOWen’gen

(Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

In order to improve the utilization of DC voltage and lower AC line-side current waveform distortion of power conversion system(PCS), the principle of space vector pulse width modulation (SVPWM) and the internal configuration and structure of TMS320F2812 digital signal processing (DSP) chip were proposed. The principles and methods of how DSP generated SVPWM wave in CCS3.0 simulation software were provided; the appropriate order of the basic vector and the zero vector which formed seven segments SVPWM wave was adopted; switching losses and harmonic components were minimized as much as possible; the registers used in DSP were initialized; the right sort of IGBT module to fit the system was selected; besides, the physical platform had been built to verify its accuracy. Results showed that the system had a well output voltage waveform and a high voltage conversion efficiency.

DSP; space vector pulse width modulation; power conversion system

2016-08-19

国家863计划项目(2015AA050608);芜湖市科技计划重大项目(2014zd23)

方 磊(1987-),男,安徽马鞍山人,硕士生,主要从事微电网控制方面的研究,(E-mail)funny0565@163.com; 高文根(1973-),男,安徽无为人,副教授,主要从事微电网控制方面的研究,(E-mail)ahpuchina@ahpu.edu.cn

1673-1549(2016)06-0021-05

10.11863/j.suse.2016.06.05

TM464

A