基于TMS320C6747的SVPWM实现方法研究

周梅辉 吴章标 蒋 顺 余勇波 缪 峰

（中国人民解放军95275部队，广西 柳州 545005）

伴随着电力电子技术的迅猛发展，脉宽调制（PWM）技术在其中发挥了越来越重要的作用。特别在工业逆变电源中，空间矢量脉宽调制（SVPWM）方法已经成为应用最广泛的一种逆变控制技术。SVPWM方法具有电压谐波小，直流电压利用率高，精度高等等优点，数字化控制实现简单等优点。

TMS320C6747低功耗数字信号处理器，其主频可达300MHz，每秒可执行2400百万条定点指令或者1800百万条浮点运算指令，其浮点运算单元能显著提高控制精度和运算速度，采用1.2V的核电压、3.3V的I/O电压，适用于工业控制，同时芯片自带了3路增强型PWM输出，对电力电子控制提供了良好的支持。

本文在研究了SVPWM原理的基础上，结合数字信号处理器 TMS320C6747的特点，对该数字控制器芯片为核心的电源逆变硬件设计进行了研究，并编写了相关的软件程序。

1 空间矢量脉冲调制基本原理

空间矢量脉冲调制方法的基本原理是，利用逆变器的功率开关器件之间的不同的开关组合，从而合成有效电压矢量来逼近基准圆。

如图 1所示，T1，T2，T3，T4，T5，T6为功率开关器件，其中 T1与 T2，T3与 T4，T5与 T6各成一组，同一时刻的同一组只有一个导通。Va，Vb，Vc为输出相电压，通过对 T1—T6功率开关的控制，输出不同组合的相电压，产生相应的电压空间矢量。

图1 三相逆变主电路

针对图1所示逆变电路，假设功率开关导通的状态为1，断开的状态为0，那么图1中逆变系统的工作状态有8种，T1、T3、T5的通断组合为有8种：000，001，010，011，100，101，110，111。其中000和111状态为无效状态，其他6种状态为有效状态。其形成的基本电压空间矢量图如图2所示。

图2 基本电压空间矢量图

通过对开关时刻的控制，从而实现电压输出的控制。这是SVPWM的基本原理和实现的有效途径。

2 硬件系统总体结构

基于SVPWM的逆变系统硬件实现中存在以下几个难点。

1）控制系统硬件多，结构相对复杂。这是一个弱电控制强电的过程，为了保证控制精度、控制速度和系统可靠性，不仅对控制芯片提出了更高的要求，而且对电路的设计提出了严格的要求。

2）为了保证该系统的可扩展性和实用性，系统加入了位置环，速度环和电流环的相应接口。从而能方便实现逆变、电机闭环控制等等相应的功能。这需要添加大量的外设，所以在硬件设计中要综合考虑和设计，不仅要保证硬件设计的正确性和稳定性，还要充分考虑系统的需求。

针对以上实际情况，在硬件和软件设计中需要充分考虑各方面因素，硬件上选用精度高，速度快的芯片作为控制核心，软件上使用优化的代码，合理设计程序结构。

2.1 控制芯片特点

设计了以 TMS320C6747为核心的控制器，TMS320C6747是TI公司低功耗浮点型工业控制芯片，相对其他一些芯片而言，它具有多方面的优势，可以达到要求的控制精度。

1）它的运行速度为300MHz，采用两级缓冲存储器结构，相对而言，它的存储空间都有了很大的增加，整体性得到大幅度提升，非常适合需要大量计算的工业控制系统，方便实现复杂的控制算法。SVPWM 的实现过程中有大量的运算，通过使用该款DSP芯片可缩短计算时间，加快系统的响应速度。

2）优良的内部浮点架构，大大简化了编程，缩短了程序代码长度和执行时间。传统的定点型DSP只能表示整数，对数据小数位的表示需要采用别的方式，编程复杂并且易出错。同时复杂的程序运行增加了程序执行的时间，占用了存储器的空间，使系统的控制精度降低。浮点运算有效解决了这一个问题，减少了针对数据运算的编程工作，简化了程序。

3）有3路高精度PWM输出，能灵活进行相关配置死区时间、触发方式以及占空比等方面信息。传统的PWM输出是通过粗糙步长，而HRPWM输出则是通过微观边缘定位（MEP）方式，MEP逻辑将传统 PWM产生单元的粗糙系统时钟配置为更加细小的单元，HRPWM能通过MEP方式输出更高的控制精度。

2.2 相关外设

电流传感器。矢量控制需要三相电流，根据控制要求和实际情况，选用了LEM公司生产的电流传感器，测量范围为：0～100A，将输出经过运放电路后调理成0～10V接入AD采样芯片后传送给DSP芯片。

2.3 功率模块

主电源通过直流电源供电，通过DSP对智能功率模块（IPM）进行控制，将直流电压转成三相三相交流电压输出，其中 IPM 选用了富士公司的6MBP20RTA060智能功率模块，该 IPM 耐压可达600V，最大通过电流为20A，基本满足系统要求，同时该IPM集成了相关驱动电路，设计有过电压，过电流，过热等检测电路，能为系统提供相关的保护。使用时只要在PWM信号和IPM控制端口之间加入简单的光电隔离电路。加入智能功率模块后整个电路设计更加简洁，实现变得简单，系统整体的可靠性和安全性也得到了提升。

2.4 软件设计

软件分为两个模块：系统主程序模块和中断服务程序。主程序模块的主要用来对系统的外设硬件进行初始化。SVPWM 中断服务程序采用定时器中断，依据设定的频率来产生相应的 PWM波输出，该中断服务程序具有良好的可扩展性。系统软件流程图如图3所示。

图3 控制系统软件流程图

3 实验结果

依据要求设计了基于 TMS320C6747的硬件结构，如图4所示。

图4 硬件设计图

为了测试系统，在三相输出加入了永磁同步电机作为负载进行测试。实验用永磁同步电机采用了浙江某电机公司生产的永磁同步电机电机，额定功率为500W，允许供电范围为38～380V，有两个对极，允许转速范围为300～3000r/min。其具体参数如表1所示。

表1 永磁同步电机参数表

在使用设计的逆变系统对该永磁同步电机进行空间矢量脉冲调制的控制，在电机运行稳定的情况下，记录了系统的A相电流输出，如图5所示。

图5 加入电机负载后A相电流

在永磁同步电机作为负载的稳定运行后，由上图A相电流可以看出电流成正弦，有所波动，但是相对稳定在了±2A的这个范围内，同时在固定频率下电机运行稳定正常。

通过使用基于TMS320C6747的SVPWM的逆变模块，永磁同步电机能实现它的稳定运行和输出。说明该SVPWM实现方法的正确性和实用性。

4 结论

文章通过对SVPWM的研究，采用了DSP作为核心控制芯片，设计了相关电路的外设和相关控制算法，最后实验验证了该系统的正确性和实用性。

本文主要结论如下：

1）本文应用了 TI公司的工业控制芯片TMS320C6747作为核心设计了 SVPWM 输出的逆变系统，具有良好的控制性能、实用性和可行性。

2）对整个系统进行了全数字化设计，实现方法简单可行，具有可参考性。

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