基于DSP新型SPWM算法探究和实现

1、基于dsp新型spwm算法探究和实现摘 要：通过分析各种spwm采样算法的优点与缺陷，提出了 一种新的spwm采样算法，并采用mat lab软件计算出在该算法下开关器件的开通与关断时刻点，同时将其与 规则采样法、切线采样法的时刻点比较。结果表明：新型的 采样算法产生的spwm脉冲比规则采样法、切线采样法更接 近自然采样算法产生的脉冲，计算量远远小于自然算法，体 现了该新型采样算法的优越性。最后通过dsp验证该新型算 法的可行性。关键词：正弦波脉冲宽度调制；自然采样算法；规 则采样；切线采样；逆变器中图分类号：tn919?34； tm921. 5文献标识码：a文章编号:10047373x (20

2、13) 2470160704research and implementation of new spwm algorithm base on dspxu chao, yu zi?rong, chen li?juan(school of information engineering , nanchang institute of aeronautical university , nanchang 330063, china)abstract：a novel spwm sampling algorithm isproposed on the basis of the analysis on

3、adva nt ages and disadvantages of various spwm sampling algotithms the on?off time of switch element obtained by the algorithm was calculated with matlab software , which was compared with those of regular sampling algorithm and tangent sampling algotithm the results show this new sampling algorithm

4、 is more accurate than regular sampling algor ithm and t angent sampling algor it hm, and its calculation quantity is much less than the na/tural sample algorithm, which reflects the superiority of the new sampling algorithm the feasibility of the novel algorithm was validated by dspkeywords: spwm；

5、natural sampling algorithm； regular sampling； tangent sampling； inverter0引言随着电力电子技术的不断发展，逆变技术已经应用在生 活的各个领域中。spwm控制技术作为逆变技术的核心环节， 逐渐受到人们的关注与重视，其主要理论基础是采样控制中 的面积等效原理1。具体而言，spwm技术是通过控制每个 周期内脉冲个数且让一连串脉冲的占空比按照正弦波规律 变化。因此，调节调制波的电压幅值与频率可改变逆变后的 电压幅值与频率，且这种电脉冲序列可使负载电流中的高次 谐波大大减少，实现标准正弦波的输出。本文通过分析几种 已有的spwm波算

6、法，拟提出一种新的生成spwm波的算法， 并利用mat lab软件计算出开关器件的通断时刻，同时将dsp 作为主控芯片以方便实现标准正弦波形的输出。1 spwm采样算法由于微处理器和控制技术的进步，运用软件编程实现 spwm的方式逐渐成为主流，相比于硬件电路而言，不仅提高 了精度，而且很大程度降低了设计难度。目前主要生成spwm 的方法有自然采样法、规则采样法、切线采样法等。1.1自然采样法自然采样法2?3是目前实现spwm波的一种理想算法， 即一个周期内三角载波与正弦调制波相交的两点作为通断 时刻。此方法能够精准算出每个脉冲宽度以及通断时刻，脉 冲逼近程度最接近标准正弦波，但求解时得到的脉冲

7、宽度表 达式是一种超越方程，在实时控制中难以计算，不利于工程 上运用。1. 2规则采样法规则采样算法是为解决自然算法计算量大、复杂等不足而提出的。其主要原理是利用三角载波的对称轴与正弦调制 波的交点，并过该点作平行于时间轴的直线且交三角载波与 两点，将此两点作为通断时刻值。由几何关系可求得脉冲导 通时间宽度。相比自然采样法，规则采样法简化了计算量, 但是求解的精度较自然采样法有很大程度的降低。1. 3切线采样法nn + msin2n-l nn由于规则采样所获得开关器件的通断点存在明显的误 差，因而提出切线采样法。具体算法原理如图1所示。图中 调制波选择标准正弦波，髙频载波为等腰三角波序列，同时

8、, 设定载波的峰值utm的绝对值为1,具体函数表达式分别如 式(1)式(4)所示：ur=um sin cd t(1)utl=-kt+4n-3(2)ut2=-kt-4n-l(3)m=umutm, 0ut=mcos(2nl) n nxt-(2nl)(5) ton= (2nl) m n xcos (2nl)jin-mnxsin (2n-l) n +4n-3n / kn+mn x cos2n-l n n(6)toff=(2n-l)mn xcos(2n-1) n n-mnx sin(2n-l)jin-4n-ln/ -kn+mnxcos2n-l nn (7)图1切线采样法1. 4改进的切线采样法尽管上述的

9、切线采样法的结果在整体上比规则采样法更接近于自然采样法，但在局部范内误差依然很大，在载波比n以及n取较小的时候尤为明显。为获得更加准确的采 样时刻，采取在切线采样法的基础上增添两条割线改善其不足，原理如图2所示。图2改进型切线采样法为了准确的同切线采样法相比较，因而在正弦调制波和 高频等腰三角载波的选取上都与切线采样法相同，表达式为 式(1)式(3)o具体分析如下：由上述切线采样的方法, 可以在载波上获得d, e两点，且分别过此两点作时间轴t 的垂线交调制波于点f和g,并将其与点f构成两条割线， 从而交与等腰三角载波与点h、点i,此两点即作为开关器 件的通断时刻点，如式(8)和式(9)所不：t

10、onl=4n-3-c+ax f-ceak+f-ce-a (8)toffl=4n-l+d-b x d-fb-ek-d-fb-e (9)式中：a= (2nl) mn x cos (2nl) nn-mmxsin (2nl) jtn+ (4n-3) n kn+mnxcos (2nt) nn b= (2n-l) m n xcose (2n-l) nn-mmxsin (2n-l) nn- (4n-l) n -kn+mnxcos 2n-l nnc=umsinad=umsinbe= (4n-2) kf=umsine_k=2n ji 2几种采样算法的精度对比通过四种算法工作原理的阐述，同时运用matlab仿真

11、软件对以上各采样方法进行计算，获得开关器件的开通与关 断时刻值，具体数据分别如表1和表2所示。由表格中的数据可以得出，规则采样法得到的数据与自 然采样法中的数据相差最大，切线采样法相对规则采样有一 定的改善，但在局部的一些时刻点上仍存在较大的误差，而 采用改进型切线算法后获得的开关器件通断点最为接近自 然通断点，相对误差也是三种算法中最小的，由此可见，改 进后的算法具有明显的优越性。3 基于 tms320x2812 的 spwm 实现tms320x2812是ti公司研制的一款高性价比的32位dsp 芯片，其事件管理器ev中集成了 16位通用定时器、比较单 元以及具有可编程的死区单元pwm电路等

12、模块，便于spwm 波形输出。具体而言，设定定时器控制寄存器t1c0n为增/ 减计数模式工作模式，并根据载波频率算出定时器周期寄存 器t1pr中存储的值，产生等腰载波序列。同时，将正弦调 制波函数计算出的采样时刻值以表格的形式存储于dsp中。 当计数寄存器t1cnt的值与比较寄存器cmpr1的值相同时， 比较匹配事件发生并产生中断，访问查询存储表中的值，更 新比较寄存器内存储的数据，使得输出pwm的引脚pwxgpioa 发生电平跳转，输出的脉宽大小按正弦波规律变换，经过一 个完整的周期，实现正弦波形的输出，并且通过设置行为控 制器可以输出两路互补的spwm波形。同时需对死区定时器 控制寄存器设

13、置，死区时间依据定时器t1的时钟频率、死 区定时器预定标因子值确定。由于dsp输出spwm信号的电 压不足以驱动igbt管，因而在其输出端需接入ir2113s芯 片，保证igbt正常驱动。spwm结构框图如图3所示。在基于dsptms320x2812的数码汽油发电机逆变器上验 证其spwm算法的可行性，主要的参数包括等腰三角载波的 频率fs-20 khz,死区时间t=4.2 us,调制度m=0. 8,载波 比n=340,滤波电感l=4 mh,电容c=220 nf,实验波形如 图4所示。图3 spwm电路结构框图图4输出正弦波形4结语本文提出了 一种新的生成spwm波的算法，在分析其原 理的基础

14、上，给出其开关器件开通与关断时刻的计算公式， 从表格中的数据可以明显看出，改进的切线法明显优于其他 两种采样算法，故生成spwm波形将更逼近于正弦波，并且 计算量并未有较大增加，在数字控制中容易实现，因而有较 大的使用价值。参考文献1 王兆安，黄俊电力电子技术m.北京：机械工业 出版社，2009.2 zheng chun?fang, zhang bo, qiu dong?yuan. digital nat uralsampl ing spwm based on inverse opera tor method c / ieee 38th annual power electronics spe

15、cialists conference. orlando， usa： ieee, 2007： 792?797.3 徐彬，杨丹.基于simulink的参数化spwm仿真模 型构建j.电气电子教学学报,2013 (2)： 1129114.4 袁志昌，宋强，刘文华.规则采样对载波移相spwm 输出基波相位滞后的影响j电工技术学报，2010, 25(11)： 1077112.5 赵伟杰基于切线技术的正弦脉宽调制算法j.杭 州电子科技大学学报，2007, 27 (4)： 57?60.6 叶程，黄梓瑜，白琳，等.基于dsp的spwm波形产 生算法研究j.中国高新技术企业，2013 (9)： 16?18.7 xu shun?gang. analyzing and restraining onharmonic of the spwm inver ter c / 2009 int ern