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不同SPWM波形生成算法及其实现

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唐玉兵

【摘要】 ? ?本文介绍了对称规则采样法、不对称规则采样法和等效面积法三种不同PWM波形生成算法的运用情况，基于TMS320LF2407在线生成TMS320LF2407波形，通过实地测验可见不同算法运用特征不一，对称规则采样法采集SPWM波形较为方便快捷，速度较快，运用等效面积法采集SPWM波形对称性良好，精密度较高，输出波形谐波小，采用不对称规则法进行SPWM波形采样，运用性能位于对称规则采样法、等效面积法两者之间，变频技术结合实际情况灵活选择运用SPWM波形生成算法。

【关键词】 ? ?SPWM波形生成算法 ? ?TMS320LF2407 ? ?输出波形

50Hz工频用电设备运行中存在着一定的局限性，长期运行之后可能出现功率因数运行较低以及运行效率较低的现象，针对此提出了变频技术，具有更广的应用范围，技术较为成熟，综合运用了信息技术、现代电子技术、智能技术等，该技术的应用核心为对SPWM波形的有效控制。不同波形生成算法具有不同的应用特征。

一、 SPWM波形

电力设备早期运行中，主要是通过模拟电路组成正弦波与三角波产生电路，两者交点主要通过比较器进行。此种操作方式电路系统较为复杂，密度性有限。电路设计过程较为复杂，当前应用不多[1]。

现代已经运用了微机、单片机促生成SPWM 波形，本文研究了TI 公司研发的电机专用控制芯片 TMS320LF2407，提升SPWM 算法的计算精度与计算速度。TMS320LF2407属于240x 系列 DSP 芯片升级产品，采用240x 系列 DSP 芯片设计方式，显著提升了计算能力，具有240x 系列 DSP 芯片，具有 150MIPS，最高运行速度，具有 12 位模数转换器（ADC）以及0.25MB 闪存，被广泛运用至电机的三相逆变器、数字化控制等领域之中[2]。

运行中可产生6 路带有可编程死区，并输出极性PWM 波。一般由定时器计数模式、定时周期决定载波开关频率。T1 不断计数时，对比全比较单元中的比较寄存器 CMPRx与计数器数值，随着数值匹配，引脚 PWMx 信号会产生翻转，随着 T1 向上及向下计数，会分别产生一次数值匹配，在一个周期内实现两次匹配，产生对称PWM 信号，计算中，在脉冲周期内通过对比得出寄存期数值，即可实时改变脉冲占空比。PWM 电路对称 PWM 波形的产生及TMS320LF2407利用比较单元见图1。

二、对称规则采样法

对称规则采样法是基于自然采样法而产生的算法形式，运用中将三角波与阶梯波的正弦波进行相交，据此计算出脉冲宽度。此种计算方法运用中在三角波位置和顶点位构建正弦波采样方式，据此生成阶梯波[3]。

三角载波的幅值值 Uc以单位量1表示，是调制比 a。中的正弦波与三角波通过向上平移一个单位1得出正弦调制波的幅值 Ur ，图形之中的正弦波和三角波均为向上平移一个单位之后而得出，此种计算方式与横坐标轴中得到的计算数据一致。可通过底点采样，结合相似三角形原理，得出A相开通时刻的脉冲宽度。

利用 simulink 模型进行建模分析，在正弦调制信号参数设置中，Frequency=pi/0.15，Amplitude=0.9，A相的初相 phase （rad）分为0，B相初相 phase （rad）为-pi/1.5，C相初相 phase （rad）为-pi/0.76。“source” 库中 “repeating sequence” 模块产生等腰三角载波信号，将参数设置为 [0，0.01，0.02] 、[1.2， -1.2 ，1.2]，代入实际运算场景，得出A=1.2，period=0.03 s，波比 N=15，

可见在1个正弦波周期中具有15个脉冲。使用运算方式对比载波与调制波，得出 SPWM 触发脉冲波形。通过通断三相逆变桥开关器件，在输出端位置得出SPWM 三相波形[3]。

为分析构建方针参数，设置Stop time：0.3， Start time：0.0，Solver options：ode23tb。设置scope1，scope2，scope3参数，分别表示为

Data history→Save data to workspace→variable name：

在参数设置中，表示为y1，y2，y3，Format： Array。

参数设置之后，设置控制程序，表示如下：

subplot（411）;plot（y1（：，2），y1（：，1），y1（：，1），

y1（：，1），y1（：，3），y1（：，4），y1（：，2），y1（：，5），k'）;

axis（[0 0.3 -1.3 1.4]）;

subplot（413）;plot（y22（：，1），y20（：，2）， 'k'）;

subplot（415）;plot（y21（：，1），y23（：，1）， 'k'）;

subplot（412）;plot（y21（：，1），y24（：，2）， 'k'）;

subplot（313）;plot（y32（：，1），y30（：，1）， 'k'）;

subplot（311）;plot（y31（：，1），y31（：，2）， 'k'）;

subplot（312）;plot（y31（：，1），y33（：，1）， 'k'）;

控制程序并行處理之后即得出三相相电压 SPWM 波形。

三、不对称规则采样法

不对称规则采样是针对一个载波周期内进行2次采样，为了提升正弦波与阶梯波的逼近程度，分别在三角波的底点位置与顶点位置进行采样操作，

据此得出A相开通时刻的脉冲宽度[4]。

不对称规则采样法采样方式具有与自然采样相近的脉宽，输出波形更好。

不对称规则采样法运用中，需要实时计算两个正弦数值，通过查表可计算出控制程序中的正弦数值，因此脉冲宽度数值计算中需要设计更为复杂的应用程序，系统需要更多的运行时间。实际运行中采样交点和实际相交点之间存在一定偏差，三角载波交点和采样点水平延长线均位于正弦调制波同一侧位置，因此运行中，低电平脉宽比自然采样更长，不对称规则算法的高电平脉宽更短，增加了采样时的误差[5]。

将调制波频率 fr 设置为500 赫兹，载波比N=22，调制比 M=0.9，通过编程分析与计算得出调制波周期内脉冲个数、脉冲宽度 tw，起点时刻 ta、终点时刻 tb等各项指标数值。

三角波 uc 的频率为 fc=fr*N，

正弦调制波ur=Msinωrt。

fc=fr*N;wr=2*pi*fr;

M=0.8; N=23;fr=520;

ta=[ ];tb=[ ];tw=[ ];

twi=0.5*（1+M*sin（wr*ti））/fc; %脉冲宽度

ti=（i+0.5）/fc; % 采样时刻

t1=0.26*（1-M*sin（wr*ti））/fc;

tw=[tw，twi];ta=[ta，tai]; tb=[tb，tbi];

tai=i/fc+t1; tbi=（i+1）/fc-t1;

end

[ta;tb;tw]*1e+6.

控制系统运行程序中，正弦周期内脉冲宽度及开关点表示如下表1。

四、等效面积法

根据采样控制理论的研究结果，在冲量一致而形状不相同的窄脉冲上存在惯性环节时，具有基本相同的运行效果。窄脉冲面积即冲量。结合正弦数值、已知数据等得出不同脉冲宽度，即等效面积计算法，正弦脉宽调制时，基于面积相等理论构建矩形脉冲波形[6]。见图2。

圖2 ? ?基于SPWM波形的等效面积法示图

在运算过程中，可基于EVA通用定时器中的增计数模式、减计算模式得出左右对称双极性正负脉冲液，基于T1PR周期寄存器得出单元1的比较寄存器数值。

在上述三种不同方法运用中，EVA定时器1时钟频率为75MHz，调整波频率400Hz，载波比36，调整比0.9，通过调制波周期内脉冲个数及宽度数值分析可知：

对称规则采样法脉冲值表示如下：

2909.905 3308.734 3649.156 4030.695 4331.891 4580.581

4769.206 4892.051 4945.41 4927.552 4839.127 4682.794

4463.291 4187.303 3863.201 3500.844 3111.231 2706.208

2298.080 1899.249 1521.827 1177.28 876.1020 627.4151

438.7871 315.9449 262.6281 280.4541 368.8769 525.2142

744.716 1020.707 1344.812 1707.175 2096.784 ?2501.807

运用不对称规则采样法不对称规则采样法得出的脉冲数值表示如下：

2808.063 3209.984 3593.504 3946.951 4259.600 4521.93

4726.002 4865.589 4936.51 4936.451 4865.591 4725.989

4521.929 4259.591 3946.941 3593.489 3209.977 2808.051

2399.918 1997.989 1614.474 1261.028 948.3874 686.0496

481.9889 342.4042 271.541 271.5424 342.4154 482.0131

686.0795 948.4242 1261.081 1614.525 1998.041 2399.98

通过等效面积法计算得出的脉冲数值表示如下：

2808.021 3209.51 3593.21 3946.656 4259.191 4521.461

4725.484 4865.031 4935.881 4935.876 4865.03 4725.471

4521.46 4259.176 3946.607 3593.254 3209.832 2807.959

2399.93 1998.142 1614.724 1261.364 948.8021 686.5306

482.5210 342.9717 272.1230 272.1269 342.9849 482.5427

686.5601 948.8383 1261.407 1614.771 1998.189 2400.014

不同SPWM波形生成算法对比研究中，在DSP硬件电路中分别下载这三种算法程序，在20MHz中示波器中对比分析DSP中的PWM1引脚现象，据此得出一相SPWM波形[7]。

五、实验结果

本次研究中，在进行 SPW M 控制脉冲生成与控制过程中，主要研究前半个正弦周期开关点，通过编程计算与分析，研究出正弦周期内脉冲宽度及开关点，在在调制度 M=0.9 情况下，得出表1的计算结果[8]。

M1 调制度时，tai=a1，M2 调制度时，得出 tai=M2/M1*a1。通过波形观察得出，三相波形对称时，相位互差 2π/3，同时三相 SPWM 相电压波形镜对称，表示为 u（ωt）=-u（ωt+π）。

可见，采用3的倍数的载波比 N ，逆变器输出表示为三相对称交流电压，两个相位相差数值120°[9-11]。载波比值为奇数状态下， SPWM 相电压波形是 Ud/2 双极性方波，且满足正、负半周镜对称。通过对称规则采样法采集SPWM 波形的操作方式较为方便快捷，速度较快，运用等效面积法采集SPWM 波形具有较好的对称性，精密度较高，输出波形谐波小，采用不对称规则法进行SPWM 波形采样，运用性能位于两种操作方式之间。20MHz中示波器中研究DSP中的PWM1引脚现象，通过数值代入及运算分析即得出一相SPWM波形。

本文研究中，结合 TMS320F2812 硬件特征，研究了三种不同 SPWM 波形生成算法各自的运用特征，可分别将其运用在所需要的场所之中。

参 ?考 ?文 ?献

[1]陈楠. 单相并联型有源电力滤波器周期频率调制策略研究[D].吉林大学，2019.

[2]刘军，吴贤勇.基于模糊PID算法的SPWM闭环控制研究[J].电子测量技术，2019，42（16）：66-70.

[3]潘岱，胡钊瑞，胡正龙.基于单片机的SPWM控制逆变器的设计与实现[J].电子制作， 2019（13）：66-67+86.

[4]NIKO SETIAWAN. 三相逆变器SPWM与SVPWM算法的对比与联系[D].西南交通大学，2019.

[5]李春梅. 张量通信波形生成模型及其半盲接收算法研究[D].哈尔滨工程大学，2019.

[6]武亮亮. 三电平变流器谐波特性分析与调制策略改进[D].北京交通大学，2019.

[7]黄治. 基于CORDIC算法的SPWM控制器研究与设计[D].西安科技大学，2019.

[8]孔德旭. 一種采用DSP处理器的电压及频率可调中频电源的研制[D].吉林大学，2019.

[9]马其. Z源三电平NPC逆变器拓扑结构及其控制算法的研究[D].西华大学，2019.

[10]李宏涛. 一种无电解电容的交直交变频电路结构和控制方法研究[D].陕西科技大学，2019.

[11]孔德旭. 一种采用DSP处理器的电压及频率可调中频电源的研制[D].吉林大学，2019.

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