基于DSP的整流器SPWM调制方法优化设计与实现

胡春龙

(陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300)

脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)是实现电力电子电能变换的重要技术，对提高电能质量、改善功率器件性能和促进电力电子技术发展具有重要的推动作用，它是依靠微控制器连续的数字信号输出实现对功率器件模拟电路控制的调制方式。其中正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal PWM，SPWM)在PWM调制中应用最为广泛，尤其是在电力电子整流器、逆变器、开关电源等领域有着重要的作用[1-2]。整流器运行的可靠性和稳定性主要取决于控制方法的先进性和调理电路设计的合理性，SPWM相对于其他采样方法在整流器控制过程中，可以产生较少的谐波量、提高功率因数[3-4]。文中通过DSP设计了整流器电压、电流调理电路并对调理电路进行计算得到输入输出关系，在程序里面对采样到信号反变换得到双极性下的正弦值与载波比较后做SPWM处理，实现对整流器功率器件的调制。

1 整流器的结构模型

文中选用三相全控电压型PWM整流器为控制对象，其拓扑结构如图1所示。其中，左半部分为交流电网侧，ua、ub、uc为三相对称交流电源，ia、ib、ic为三相对称电流，O为电源中性点，L为网侧交流电感，R为线路等效电阻；右半部分为整流器直流输出端，其中S1～S6为由功率开关管IGBT组成的整流桥六个桥臂，C为直流侧滤波电容，Udc为整流直流电压，RL为输出负载，iL为负载电流[5-6]。

图1 三相PWM整流桥主电路结构

功率开关管S1～S6的不同开关状态分别对应着整流器不同的输出状态，这样直流侧输出电压便可通过对6个功率开关管的调制来实现。对于上下对称的一组桥臂，规定状态“1”为上桥臂导通、下桥臂断开，可用Sk(k=1,2,3)=1分别表示三相桥臂的“1”状态；规定状态“0”为上桥臂断开、下桥臂导通，可用Sk(k=1,2,3)=0分别表示三相桥臂的“0”状态[7]。

2 调理电路设计与计算

2.1 交流电压调理电路

图2所示为交流电压调理电路。下面对其输入输出传递函数进行计算。

图2 交流电压调理电路

对于U9A输入输出传递函数关系为：

(1)

(2)

由式(1)、式(2)变换可得：

(3)

对于U9B输入输出传递函数关系为：

(4)

(5)

由式(4)、式(5)变换可得：

(6)

在式(6)中将调理电路中的参数值代入后得：

uo=0.8(uACU-uN)+0.5Vref

(7)

由式(7)电压输入输出函数关系可知，从DSP的AD采样端子输入合适范围的值(Vref参考电压值为3V，AD采样端子输入电压范围为-1.875～1.875 V)，可在DSP端得到0～3 V采样电压。再在DSP程序中对采样到的电压信号进行反变换，得到双极性下的正弦值，最后与载波信号比较做SPWM处理[8]。

2.2 交流电流调理电路

图3所示为交流电流调理电路。下面对其输入输出传递函数进行计算。

图3 交流电流调理电路

对于U7A输入输出传递函数关系为：

u3+=u2-=iACI·R34

(8)

(9)

对于U7B输入输出传递函数关系为：

(10)

由式(8)～式(10)变换后可得：

(11)

在式(11)中将调理电路中的参数值代入后得：

uo=10.92iACI+0.5Vref

(12)

从式(12)可知，电流传感器输出的电流信号应在一定的范围内才能进行调制，将输入的电流信号经过电阻转换为相应的电压信号，电压信号经过运放调理后，变为输入到DSP的0～3 V电压信号(参考电压Vref为3 V，输入电流范围为-137.36～137.36 mA，)，最后进行反变换后做SPWM处理。

2.3 直流电压调理电路

下图4所示为直流电压调理电路。下面对其输入输出传递函数进行计算。

图4 直流电压调理电路

对于U14_1A输入输出传递函数关系：

(13)

(14)

对于U14_1B输入输出函数关系为：

uo7=u6-=u5+=uo1

(15)

对式(13)～式(15)整理后得直流电压调理电路输入输出关系为：

(16)

在式(16)中将调理电路中的参数值代入后得：

uo1=1.8(uDC1-uDCN1)

(17)

从式(17)可知，电压传感器输出的电压信号应在一定的范围内才能进行采样，将采样到的电压信号经过运放调理后，变为输入到DSP的0～3 V电压信号(参考电压Vref为3 V，输入电压范围为0～1.67 V)。

3 SPWM调制方法实现原理

采用规则采样法，根据载波与正弦调制波的几何关系，在DSP事件管理器EV中推算出比较寄存器CMPR、周期寄存器T1PR和采样时刻正弦函数值之间的关系。通过每次在不同的时刻采样到不同的正弦函数值来实时改变比较寄存器CMPR的值，从而改变了脉冲信号占空比，调制波下对应的正弦函数采样值由算法公式直接求取[9]。

AD采样通过DSP事件管理器EVA中的周期中断T1进行启动，对AD通道ADCINA0-ADCINA7和通道ADCINB0-ADCINB7模拟量进行采样转换，设置采样频率为10 kHz，采样信号频率为50Hz。

通过MCGS触摸屏与DSP之间的Modbus协议，利用4区输出寄存器读写对DSP下发数据，在DSP中对该地址下的下发数据进行观测，通过在DSP中对观测值的修改同时也可在触摸屏中观测到相应的变化，利用3区输入寄存器只读对DSP中的数据进行显示，并在触摸屏中进行观测。

4 Modbus串行通信协议

为了实现MCGS触摸屏与DSP的通信，采用串行通信接口SCI和Modbus协议对数据进行中断接收和查询发送。Modbus协议中，共包含4种寄存器区(1区、0区、3区、4区)和多种功能码，不同功能码代表对不同寄存器区数据的不同操作[10]。本设计只用到了3区和4区及其各功能码。3区为输入寄存器，读取功能码04；4区为输出寄存器，读取功能码为03、06，写入功能码为16。图5为SCI与CPU的接口连接。

图5 SCI与CPU接口

从图5中可以看出，串行通信模块共有两个引脚，分别为实现数据发送的SCITXD引脚和实现数据接收的SCIRXD引脚。这两个引脚分时复用，分别与GPIOF模块的第4位、第5位对应。在初始化编程时，需要将寄存器GPIOFMUX寄存器中的第4位和第5位置1，否则这两个引脚就是通用的数字I/O口。

5 SPWM调制方法实现过程

(1)配置DSP的GPIO口、EV中PWM输出模式、AD采样模式和使能相应的外设。通过周期寄存器T1设置载波的频率为10 kHz，调制波频率为50 Hz，所以载波比N=200。将调制波和载波幅值比设置成0.8，即调制度M=0.8。

(2)根据对称规则采样法的相关几何关系可知开通时间为：

(18)

而脉宽调制的软件实现就是不断地去改变比较寄存器CMPR的值，所以在此Ton对应的是DSP事件管理器EV中CMPR1的值，载波周期Tr对应的是2T1PR的值，这样由式(18)可以得到第k次采样下比较寄存器值为：

(19)

通过DSP调用数学函数sinx来计算200次采样点。

(3)在ADC中断函数中，对采样次数进行统计，当采样次数达到10000/50=200次时，做均值运算和有效值运算。在DSP控制板中引入0 V和3.3 V两个电压信号分别加入16路采样通道中，将运算后的数值引入DSP的观测窗口Watch Window中，对各个采样通道进行观测。由于从AD测试中发现，交流电压、电流波形通过AD调理电路后均有所抬升，所以本设计将一正弦波峰峰值为6 V、频率为50 Hz的波，接入AD采样端子上，经过调理到达DSP的信号为0～3 V，数学函数关系为y=1.5+0.5x。

(4)由于AD采样到的点要与载波比较，所以在程序中必须将DSP采样到的0～3 V信号进行反变换后转换为实际输入信号-3～3 V，数学函数关系为y=2x-3。由式(7)可知，当取参考电压为3 V时对应关系为0～1.5 V和1.875～3 V，所以输入到A相电压的幅值又为1.875 V。分别将上面得到幅值为3 V和1.5 V的传递函数带入式(19)中，通过示波器观测PWM1-PWM12的波形。

(5)在MCGS组态环境下，建立工程并进行工程组态。设备组态，在设备窗口选择通用串口父设备，在其下建立子设备0--莫迪康ModbusRTU，并对波特率、数据位等参数进行设置。在实时数据库中新增4个变量名，分别为A相电压平均值、A相电压有效值、B相电压有效值、调制度。在设备窗口中，新增4个设备通道，分别索引到3区下的地址3WUB0003、3WUB0004、3WUB0005中和4区下的地址4WUB0003中，并将新增的4个变量分别索引到该通道地址下。在触摸屏中通过输入框设置调制度M的值，输出框可以显示出相电压均值和有效值。

6 仿真实验模型搭建

为验证设计方法的可行性，在MATLAB/Simulink中建立了系统仿真模型并以DSP为控制器搭建了硬件实验平台，图6所示为建立的系统模型。

图6 系统模型建立

系统模型搭建完成后设置相应的仿真实验参数，如表1所示。

表1 仿真实验参数设定

7 仿真与实验结果分析

图7所示为交流侧A相输入电压与电流曲线仿真结果，从图中可以看出电流能够在较短的时间内与电源电压保持同相位、同频率，跟随时间约为0.01 s，具有较强的快速性和跟随性。

图7 A相电压电流曲线对比

为了比较SPWM优化调制的优越性，仿真中与SVPWM调制进行了比较，给定直流电压为650 V，图8所示为两种不同调制下的输出电压曲线仿真对比。

从图8可以看出，采用SPWM调制时，调节时间约为0.012 s，输出在0.015 s时达到给定值;采用SVPWM调制时，调节时间约为0.02 s，输出在0.023 s时达到给定值，系统响应低于SPWM调制且具有较大的电压超调量(约为45%)。

图8 SPWM与SVPWM调制下输出电压比较

在搭建了系统硬件平台后，图9所示为按电压调理电路输入输出关系采样下的SPWM实验波形。

图9 SPWM实验波形

由图9可以看出输出的SPWM波形频率为10 kHz，占空比周期性变化。从电压调理电路中可以看出在DSP输入端设有0～3.3 V电压，所以凡是在DSP输入端大于3.3 V的电压也可以有效通过。这样就不能通过测量两个点来确定输入输出关系了，只能根据采样调理电路进行确定，经过对采样电路硬件的测试发现，测试结果与原理图输入输出传递函数关系一致。

图10所示为MCGS触摸屏界面，通过输入框可以对调制度进行设置，输出框分别显示A相电压平均值、A相电压有效值和B相电压有效值。

图10 MCGS显示界面

8 结束语

以PWM整流器为研究对象，设计了系统控制的硬件调理电路，按照规则采样法完成系统软件参数的配置，以T1的周期中断事件启动ADC转换，通过定时器T1产生周期匹配事件，在T1CNT的值等于T1PR的值时，T1周期中断标志位置位，同时产生一个ADC启动信号，实现SPWM的调制处理。最后搭建了仿真模型和实验平台，通过仿真和实验验证了系统输出的可靠性和正确性。