統(tǒng)一潮流控制器的SPWM控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

摘要：介紹利用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407DSP產(chǎn)生SPWM波形的方法，該方法具有控制精度高和實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：UPFCSPWMDSP中值規(guī)則采樣法0引言統(tǒng)一潮流控制器(簡(jiǎn)稱UPFC)是靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)中最具代表性的一員，它集并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相等多種功能于一身，具有綜合控制電力系統(tǒng)基本參數(shù)的能力［1］。UPFC對(duì)電力系統(tǒng)的影響和控制主要是通過(guò)其串聯(lián)側(cè)逆變器輸出正弦波加到線路中去來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，輸出高質(zhì)量的正弦波是對(duì)UPFC的基本要求。SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation)法的基本思想是使輸出的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，可有效的抑制輸出電壓中的低次諧波分量。故對(duì)UPFC的逆變器采用SPWM控制方式，可以輸出質(zhì)量較高的正弦波，大大提高電路性能。生成SPWM波形的方法目前主要有軟硬件相結(jié)合的方法和采用純軟件編程的方法。采用軟硬件相結(jié)合的方法具有精確度不高，生成波形的硬件電路較復(fù)雜等缺點(diǎn)。而利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的事件管理器，用純軟件編程方法實(shí)現(xiàn)SPWM波形的輸出可減少系統(tǒng)的硬件電路，并具有實(shí)時(shí)性好和運(yùn)算精確等優(yōu)點(diǎn)。TMS320LF2407DSP是TI公司主推的一種適于逆變器控制和電機(jī)控制的芯片，集實(shí)時(shí)處理和控制器外設(shè)于一身［2］，故本文重點(diǎn)討論利用TMS320LF2407DSP芯片產(chǎn)生SPWM控制波形的實(shí)現(xiàn)方法。1SPWM控制技術(shù)介紹［3］1.1SPWM控制的基本原理在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量(面積)相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。SPWM控制正是以這一重要結(jié)論作為理論基礎(chǔ)的。為了實(shí)現(xiàn)SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation),可將電壓正弦波的一個(gè)周期平均分成2n等份，其正、負(fù)半周分別被分為n個(gè)相等的時(shí)間區(qū)域。于是，每一份可看作寬度為n/n但幅值不等的電壓脈沖且脈沖的頂部為按正弦規(guī)律變化的曲線。如果將上述序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，并且矩形脈沖和相應(yīng)部分面積相等，則此矩形脈沖序列的寬度即按正弦規(guī)律變化。這種等效于正弦波的脈沖波即為SPWM波形。1.2中值規(guī)則采樣法生成SPWM波形考慮到工程實(shí)際，我們采用較為實(shí)用的中值規(guī)則采樣法來(lái)求取脈沖序列的寬度。圖1示出了依據(jù)中值采樣規(guī)則生成SPWM波形的原理，從中可以看出中值規(guī)則采樣法的基本思想是，在等腰三角載波的負(fù)峰值時(shí)刻對(duì)正弦調(diào)制波進(jìn)行采樣而得到E點(diǎn)，過(guò)E點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于A點(diǎn)和B點(diǎn)。在A點(diǎn)的時(shí)刻tA和B點(diǎn)的時(shí)刻tB控制功率器件的通斷。也就是說(shuō)，中值規(guī)則采樣法是用一段水平線段代替一段正弦曲線，從而將正弦波簡(jiǎn)化為階梯波。圖1中的水平線與三角載波的交點(diǎn)A、B將T分為三個(gè)時(shí)間段：q、t2和t3。t2對(duì)c 1 2 3 2應(yīng)于脈沖的寬度，t1和t3對(duì)應(yīng)于脈沖的間隙。在不同的三角載波周期內(nèi)E點(diǎn)的采樣值不同，時(shí)間段-、t2和t3也不同，因而矩形脈沖寬度也不同。從以上的說(shuō)明我們可以看出，求出時(shí)間段t2的值即相當(dāng)于求出了SPWM信號(hào)波形的脈寬值。根據(jù)上述原理，我們來(lái)求SPWM波形的脈寬值。設(shè)三角載波的幅值為U且保持cm不變，正弦調(diào)制波為u=Usin(wJ)，其中U是正弦調(diào)制波的幅值，W,是正弦調(diào)制波rrm1m1的角頻率。正弦調(diào)制波的幅值與三角波載波的幅值之比，即U/U=M(0vMv1),稱為rmcm幅值調(diào)制系數(shù)。當(dāng)采樣時(shí)刻為3J時(shí)，根據(jù)三角形相似關(guān)系，由圖1有1e

tTc4Usingt)

rm i~e~UtTc4Usingt)

rm i~e~Ucm=Msin(rot)1e從而可以得到：t=c(1+Msin(wt))2 2 1e根據(jù)(2)式，設(shè)T=1,若一個(gè)周期內(nèi)有N個(gè)矩形波，則第I個(gè)矩形波的占空比為：ct2=0.5+0.5Msin(I*2兀/N) (3)式(3)便是實(shí)時(shí)計(jì)算SPWM波形脈寬時(shí)間的基本算式。為了獲得三相對(duì)稱的輸出，可用在時(shí)間上互差120度的三相正弦調(diào)制波與同一個(gè)三角載波比較，便可獲得三相的SPWM波形。2基于TMS320LF2407DSP的SPWM波形的發(fā)生2.1生成SPWM波形的設(shè)計(jì)思路用TMS320LF2407生成SPWM波形的總體設(shè)計(jì)思想是利用事件管理器(EVA和EVB)中的6個(gè)全比較單元、通用定時(shí)器1及通用定時(shí)器2、死區(qū)發(fā)生單元以及輸出邏輯來(lái)生成三相12路(6對(duì))SPWM波形，經(jīng)12個(gè)復(fù)用的I/O(PWM)引腳輸出。圖2比較單元和PWM電路產(chǎn)生對(duì)稱的PWM波形TMS320LF2407的PWM引腳輸出脈沖過(guò)程如下：當(dāng)一個(gè)計(jì)數(shù)周期開(kāi)始時(shí)，在計(jì)數(shù)器跳變的過(guò)程中,計(jì)數(shù)器的值都與比較寄存器CMPRx(x=1,2,3,4,5,6)的值作比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值與比較寄存器的值相等，則發(fā)生比較匹配，對(duì)應(yīng)的那對(duì)PWM輸出引腳發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)，若選用連續(xù)增/減的計(jì)數(shù)模式，則在一個(gè)周期內(nèi)將發(fā)生兩次電平翻轉(zhuǎn)(如圖2所示)，也即PWM引腳輸出一個(gè)脈沖。若要實(shí)時(shí)地改變脈沖的占空比，只需在每個(gè)脈沖周期里在線計(jì)算并改寫(xiě)比較寄存器CMPRx的值即可。圖2還說(shuō)明了插入死區(qū)時(shí)間后波形的變化情況。2.2軟件編程的具體步驟及程序流程圖相關(guān)軟件編程的具體步驟為：確定定時(shí)器周期寄存器的值P。設(shè)需要輸出的正弦波的周期為T(mén),每個(gè)周期需要輸出的矩形波個(gè)數(shù)為N,CPU的指令周期為T(mén)s(TMS320LF2407DSP為33ns),時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù)為m,則PTNmT。由于TMS320LF2407DSP的高速運(yùn)算能力，若想使得輸出信號(hào)的波形更佳，還可以進(jìn)一步提高載波比N。系統(tǒng)的初始化，包括禁止中斷(INTM=1)、設(shè)置符號(hào)擴(kuò)展模式(SXM=O)、將B0塊映射到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間(CNF=0)、設(shè)置系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄存器(SCR1和SCR2)、設(shè)置看門(mén)狗控制寄存器(WDCR)和將I/O引腳設(shè)置為PWM波輸出引腳等等。事件管理器模塊的初始化，這對(duì)于輸出理想的SPWM波形也是極為重要的，包括：設(shè)置定時(shí)器周期寄存器T1PR和T3PR，從而規(guī)定PWM波形的周期。設(shè)置比較方式控制寄存器ACTRA和ACTRB，將成對(duì)輸出的PWM引腳一個(gè)設(shè)為高電平有效，另一個(gè)設(shè)為低電平有效。設(shè)置死區(qū)控制寄存器DBTCONA和DBTCONB。初始化比較寄存器CMPRx(x=1,2,3,4,5,6)，可設(shè)其初始值為0。設(shè)置比較控制寄存器COMCONA和COMCONB，使能比較操作和比較輸出以及設(shè)置CMPRx重載條件。設(shè)置定時(shí)器控制寄存器T1CON和T3CON，設(shè)置計(jì)數(shù)模式為連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式且使能定時(shí)器操作。清中斷標(biāo)志寄存器EVAIFRA和EVBIFRA，以便產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。設(shè)置中斷屏蔽寄存器EVAIMRA和EVBIMRA，使能定時(shí)器周期中斷。根據(jù)前面推導(dǎo)出的占空比表達(dá)式計(jì)算出每個(gè)矩形波的占空比，用占空比乘以周期寄存器的值，從而計(jì)算出比較寄存器的值。在周期中斷子程序中將計(jì)算所得的比較寄存器的值送入比較寄存器，并且清事件管理器中斷標(biāo)志以產(chǎn)生下一個(gè)中斷請(qǐng)求，然后置相應(yīng)標(biāo)志位說(shuō)明已送出一個(gè)脈沖。主程序根據(jù)標(biāo)志為來(lái)判斷是否已完成一個(gè)周期的操作，如果標(biāo)志位已置位，則清標(biāo)志位，調(diào)計(jì)算占空比子程序，然后進(jìn)入等待狀態(tài)，標(biāo)志位未被，則直接等待狀態(tài)。根據(jù)以上步驟設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖3所示，中斷服務(wù)子程序流程圖如4所示：

圖3主程序流程圖圖4周期中斷子程序流程圖在此，對(duì)程序進(jìn)行如下的說(shuō)明：(1)為了避免CPU在某一中斷服務(wù)程序中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致不能及時(shí)響應(yīng)其它的中斷請(qǐng)求，使程序控制出現(xiàn)錯(cuò)誤，在本程序設(shè)計(jì)中將調(diào)用占空比計(jì)算子程序嵌套到主程序中，而不是放到周期中斷服務(wù)子程序中。(3)在占空比計(jì)算子程序中，還需調(diào)用正弦函數(shù)計(jì)算子程序，從而計(jì)算出第I個(gè)脈沖的正弦值。(5)為了有效解決假中斷(PHANTHOM)和出現(xiàn)程序跑飛的情況，在主程序中還加入了看門(mén)狗(WatchDog)通用中斷子程序。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如圖5~7所示為不同時(shí)間刻度下的兩路互補(bǔ)的SPWM控制波形。從中我們可以看出輸出的系列脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化。在此我們?nèi)〉妮d波比N=64,理論上可以消除63次以下的諧波。將輸出的SPWM控制脈沖用來(lái)控制UPFC逆變器，則逆變器輸出的波形如圖8所示。我們可以看出，逆變器的輸出電壓的頻率正好為50HZ，但有一定程度的畸變。若想使輸出波形更理想，我們可利用DSP的高速運(yùn)算能力，提高載波比N的值(但不能超過(guò)逆變器中IGBT元件的最大開(kāi)關(guān)頻率)。觸發(fā)電壓：1.92V觸發(fā)電壓：觸發(fā)電壓：1.92V觸發(fā)電壓：1.92V圖5SPWM波形(1)圖6SPWM波形(2)幅值：2V/格 時(shí)間：0.5s/格幅值：2V/格 時(shí)間：0.5s/格觸發(fā)電壓：1.92V圖7SPWM波形(3)圖8UPFC的串聯(lián)側(cè)逆變器輸出波形4結(jié)論從較令人滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以得出如下的結(jié)論：(1)證明了本程序算法是成功的。利用TMS320LF2407DSP本身的PWM波硬件生成及輸出電路，只需比較簡(jiǎn)單的代碼段就可輸出正弦度較好的SPWM波，減少了控制系統(tǒng)的硬件，降低了成本，使設(shè)計(jì)者把更多的精力放到程序算法的編寫(xiě)上。參考文獻(xiàn)L.Gyugyi.UnifiedPowerFlowerFlow-ControlConceptforFlexibleACTr