统一潮流控制器的SPWM控制技术的实现方法

流控制器的SPWM控制技术的实现方法摘要：介绍利用数字信号处理器TMS320LF2407DSP产生SPWM波形的方法，该方法具有控制精度高和实时性好等特点。关键词：UPFCSPWMDSP中值规则采样法0引言统一潮流控制器(简称UPFC)是灵活交流输电系统(FACTS)中最具代表性的一员，它集并联补偿、串联补偿、移相等多种功能于一身，具有综合控制电力系统基本参数的能力［JUPFC对电力系统的影响和控制主要是通过其串联侧逆变器输出正弦波加到线路中去来实现的。因此，输出高质量的正弦波是对UPFC的基本要求。SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation)法的基本思想是使输出的脉冲宽度按正弦规律变化，可有效的抑制输出电压中的低次谐波分量。故对UPFC的逆变器采用SPWM控制方式，可以输出质量较高的正弦波，大大提高电路性能。生成SPWM波形的方法目前主要有软硬件相结合的方法和采用纯软件编程的方法。采用软硬件相结合的方法具有精确度不高，生成波形的硬件电路较复杂等缺点。而利用数字信号处理器(DSP)的事件管理器，用纯软件编程方法实现SPWM波形的输出可减少系统的硬件电路，并具有实时性好和运算精确等优点。TMS320LF2407DSP是TI公司主推的一种适于逆变器控制和电机控制的芯片，集实时处理和控制器外设于一身⑵，故本文重点讨论利用TMS320LF2407DSP芯片产生SPWM控制波形的实现方法。1SPWM控制技术介绍⑶在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量(面积)相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。SPWM控制正是以这一重要结论作为理论基础的。为了实现SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation)，可将电压正弦波的一个周期平均分成2n等份，其正、负半周分别被分为n个相等的时间区域。于是，每一份可看作宽度为n/n但幅值不等的电压脉冲且脉冲的顶部为按正弦规律变化的曲线。如果将上述序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，并且矩形脉冲和相应部分面积相等，则此矩形脉冲序列的宽度即按正弦规律变化。这种等效于正弦波的脉冲波即为SPWM波形。1.2中值规则采样法生成SPWM波形考虑到工程实际，我们采用较为实用的中值规则采样法来求取脉冲序列的宽度。图1示出了依据中值采样规则生成SPWM波形的原理，从中可以看出中值规则采样法的基本思想是，在等腰三角载波的负峰值时刻对正弦调制波进行采样而得到E点，过E点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点。在A点的时刻tA和B点的时刻tB控制功率器件的通断。也就是说，中值规则采样法是用一段水平线段代替一段正弦曲线，从而将正弦波简化为阶梯波。图1中的水平线与三角载波的交点A、B将T分为三个时间段：L、t,和t。匕对c1232应于脉冲的宽度，J和t3对应于脉冲的间隙。在不同的三角载波周期内E点的采样值不同，时间段t］、t2和t3也不同，因而矩形脉冲宽度也不同。从以上的说明我们可以看出，求出时间段t2的值即相当于求出了SPWM信号波形的脉宽值。根据上述原理，我们来求SPWM波形的脉宽值。设三角载波的幅值为Ucm且保持不变，正弦调制波为ur=Urmsin(31t)，其中Um是正弦调制波的幅值，31是正弦调制波的角频率。正弦调制波的幅值与三角波载波的幅值之比，即Urm/Ucm=M(0<M<1)，称为幅值调制系数。当采样时刻为31te时，根据三角形相似关系，，由图1有TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"2—水Usin(①t)(1)=rm1e=Msin(①t)TUcm1e4从而可以得到：\o"CurrentDocument"Tt=-c(1+Msin(w.t))(2)根据(2)式，设\=1，若一个周期内有N个矩形波，则第I个矩形波的占空比为：\o"CurrentDocument"t2=0.5+0.5Msin(/*2兀/N)(3)式(3)便是实时计算SPWM波形脉宽时间的基本算式。为了获得三相对称的输出，可用在时间上互差120度的三相正弦调制波与同一个三角载波比较，便可获得三相的SPWM波形。2基于TMS320LF2407DSP的SPWM波形的发生2.1生成SPWM波形的设计思路用TMS320LF2407生成SPWM波形的总体设计思想是利用事件管理器(EVA和EVB)中的6个全比较单元、通用定时器1及通用定时器2、死区发生单元以及输出逻辑来生成三相12路(6对)SPWM波形，经12个复用的I/O(PWM)引脚输出。图2比较单元和PWM电路产生对称的PWM波形TMS320LF2407的PWM引脚输出脉冲过程如下：当一个计数周期开始时，在计数器跳变的过程中,计数器的值都与比较寄存器CMPRx(x=1,2,3,4,5,6)的值作比较，当计数器的值与比较寄存器的值相等，则发生比较匹配，对应的那对PWM输出引脚发生电平翻转，若选用连续增/减的计数模式，则在一个周期内将发生两次电平翻转(如图2所示)，也即PWM引脚输出一个脉冲。若要实时地改变脉冲的占空比，只需在每个脉冲周期里在线计算并改写比较寄存器CMPRx的值即可。图2还说明了插入死区时间后波形的变化情况。2.2软件编程的具体步骤及程序流程图相关软件编程的具体步骤为：确定定时器周期寄存器的值P。设需要输出的正弦波的周期为T,每个周期需要输出的矩形波个数为N，CPU的指令周期为二(TMS320LF2407DSP为33ns),时钟预分频数为m，则PT,NmTs。由于TMS320LF2407DSP的高速运算能力，若想使得输出信号的波形更佳，还可以进一步提高载波比N。系统的初始化，包括禁止中断(INTM=1)、设置符号扩展模式(SXM=0)、将B0块映射到数据存储空间(CNF=0)、设置系统控制和状态寄存器(SCR1和SCR2)、设置看门狗控制寄存器(WDCR)和将I/O引脚设置为PWM波输出引脚等等。事件管理器模块的初始化，这对于输出理想的SPWM波形也是极为重要的，包括：设置定时器周期寄存器T1PR和T3PR，从而规定PWM波形的周期。设置比较方式控制寄存器ACTRA和ACTRB，将成对输出的PWM引脚一个设为高电平有效，另一个设为低电平有效。设置死区控制寄存器DBTCONA和DBTCONB。初始化比较寄存器CMPRx(x=1,2,3,4,5,6)，可设其初始值为0。设置比较控制寄存器COMCONA和COMCONB，使能比较操作和比较输出以及设置CMPRx重载条件。设置定时器控制寄存器T1CON和T3CON，设置计数模式为连续增/减计数模式且使能定时器操作。清中断标志寄存器EVAIFRA和EVBIFRA，以便产生中断请求。设置中断屏蔽寄存器EVAIMRA和EVBIMRA，使能定时器周期中断。根据前面推导出的占空比表达式计算出每个矩形波的占空比，用占空比乘以周期寄存器的值，从而计算出比较寄存器的值。在周期中断子程序中将计算所得的比较寄存器的值送入比较寄存器，并且清事件管理器中断标志以产生下一个中断请求，然后置相应标志位说明已送出一个脉冲。主程序根据标志为来判断是否已完成一个周期的操作，如果标志位已置位，则清标志位，调计算占空比子程序，然后进入等待状态，标志位未被，则直接等待状态。根据以上步骤设计的主程序流程图如图3所示，中断服务子程序流程图如4所示：

图3主程序流程图图4周期中断子程序流程图在此，对程序进行如下的说明：(1)为了避免CPU在某一中断服务程序中停留时间过长而导致不能及时响应其它的中断请求，使程序控制出现错误，在本程序设计中将调用占空比计算子程序嵌套到主程序中，而不是放到周期中断服务子程序中。(3)在占空比计算子程序中，还需调用正弦函数计算子程序，从而计算出第I个脉冲的正弦值。(5)为了有效解决假中断(PHANTHOM)和出现程序跑飞的情况，在主程序中还加入了看门狗(WatchDog)通用中断子程序。

3实验结果分析如图5~7所示为不同时间刻度下的两路互补的SPWM控制波形。从中我们可以看出输出的系列脉冲宽度按照正弦规律变化。在此我们取的载波比N=64,理论上可以消除63次以下的谐波。将输出的SPWM控制脉冲用来控制UPFC逆变器，则逆变器输出的波形如图8所示。我们可以看出，逆变器的输出电压的频率正好为50HZ，但有一定程度的畸变。若想使输出波形更理想，我们可利用DSP的高速运算能力，提高载波比N的值(但不能超过逆变器中IGBT元件的最大开关频率)。幅值：2V/格时间：0.2、/格触发电压：1.92V触发电压：幅值：2V/格时间：0.2、/格触发电压：1.92V触发电压：1.92V图5SPWM波形⑴图6SPWM波形(2)幅值：2V/格时间：0足/格触发电压：1.92V图7SPWM波形(3)图8UPFC的串联侧逆变器输出波形4结论从较令人满意的实验结果我们可以得出如下的结论：证明了本程序算法是成功的。利用TMS320LF2407DSP本身的PWM波硬件生成及输出电路，只需比较简单的代码段就可输出正弦度较好的SPWM波，减少了控制系统的硬件，降低了成本，使设计者把更多的精力放到程序算法的编写上。参考文献L.Gyugyi.UnifiedPowerFlowerFlow-ControlConceptforFlexi