基于DSP的静止无功发生器的SPWM调制技术的研究

关键词：SVG(静止无功发生器)；SPWM(正弦脉宽调制)；DSP(数字信号处理器)；中值规则采样法；调制度；死区时间 中图分类号：TM571 文献标识码：A Research on SPWM Technique of SVG Based on DSP CHEN Xin-miao, HANG Nai-shan, LUO Tian-lu, TANG Fei (Department of Electrical Engineering,Guangxi University, Nanning 530004,Guangxi Province, China) Abstract:This paper introduces mostly the method of generating control signal of SVGs inverter. The object is the inverter circuit of three- phase bridge, which is composed of six groupes of IGBT and its shunt- wound diode reversed. The pulse width of the key control signal SPWM is acquired by the sampling method based on median rule. The SPWM wave is generated by using TMS320LF2407 DSP by software method, which is characteristic of high control precision and good real time performance. Key words: SVG(static var generator) ; SPWM ( sinusoidal pulse width modulation) ; DSP ( digital signal processor) ; sampling method based on median rule; modulation index; dead time 1 引言 静止无功发生器己成为静止无功补偿技术的发展方向，是今后柔性交流输电系统(FACTS)的一个重要元件。本文所介绍的静止无功发生器是电压型的SVG，它具有主电路的拓扑结构简单，且逆变器件IGBT易于控制，灵活方便[1]。 SVG对电力系统的影响和控制主要是通过逆变器输出三相正弦电压并联到线路中去实现的。因此，输出三相电压波形严格对称且每相的正负半 周也对称的SPWM是十分关键的。 SPWM的基本思想是使输出的脉冲宽度按正弦规律变化，因这样的调制技术能有效地抑制输出电压中的低次谐波分量。因此，SVG的逆变器采用SPWM控制方式，可以输出质量较高的正弦波。 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投资，并具有实时性好和运算精确等优点。 TMS320LF2407 DSP是TI公司主推的一种适于逆变器控制和电机控制的芯片，集实时处理能力和控制器外设功能于一身[2]。本文重点讨论利用TMS320LF2407 DSP芯片产生SPWM控制波形的实现方法。 2 SPwM控制技术介绍 2．1 SPWM调制的基本原理[3] 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，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π／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。 2．2 三个相关概念 2．2．1 调制度(幅值调制系数或幅值比)M 2．2．3 同步调制 调制方法有同步调制和异步调制两种。本文介绍的是同步调制。同步调制要求调制波零点与等腰三角载波的纵轴对称点重合，载波比为整数且 N为常数。调制信号为正弦波，当载波比为3的整数倍且为奇数时，同步调制能保证输出的SP WM波具有1／4周期对称，正、负半波对称和三相120°对称。 2．3 中值规则采样法生成SPWM波形[4] 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 式(5)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。 3 基于DSP的SPWM波形的发生 3．1 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中的3个全比较单元、通用定时器1、死区发生单元以及输出逻辑来生成三相6路(3对)SPWM波形，经6个复用的I／O(PWM)引脚输出。 定时器若选用连续增/减的计数模式，则在一个周期内将发生两次电平翻转，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。 3．2 软件编程的几个环节及程序流程图 3．2．1 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(SCRl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。 3．2．2 件管理器模块的初始化 3．2．3 确定定时器T1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Ts(TMS320LF2407 DSP为33 ns)，时钟预分频数为 m，则 P=T／NmT (6) 设T=0．02 s，依据式(6)除以2就可以确定定时器T1周期寄存器的初值。 当然，电网的频率也会稍微有变化的。这就要求实时的检测电网的频率，以使所产生的SPWM的频率和电网的频率相等。这一点，利用 TMS320LF2407 DSP上的捕获单元来实现。以定时器T2作为捕获单元的时钟，从捕获单元的FI- FO堆栈读取的计数值就是电网频率(只是用时钟预分频数为m的CPU时钟周期表示而已)。此计数值除以2N即是电网频率变化后的定时器T1，周期寄存器的值Tc。 3．2．4 占空比公式中的正弦函数值的求取采用查表法 3．2．5 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。 由于系统配置为抑制符号位扩展模式，当脉冲 3．2．6 设置死区控制寄存器DBTCONA 根据以上步骤设计的主程序流程图如图2所示，中断服务子程序流程图如3所示： 图2 主程序流程图 4 实验结果 图4为不同时间刻度下的两路互补的SPWM控制波形。图5为两相相位差为1200的SPWM控制波形。图6为两相SPWM控制波形叠加后的波形。 图4 两路互补的SPWM波形 从图4、5、6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=69[5]，将输出的SPWM控制脉冲用来控制SVG逆变器，逆变器带惯性负载时的输出电压波形如图7所示。 5 结论 从较令人满意的实验结果，我们可以得出如下的结论： 5．1 实验结果表明本设计是成功的。 5．2 利用TMS320LF2407 DSP自带的事件管理器，通过编程可输出较好的SPwM波，简化了控制系统的硬件设计，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。 5．3 为了得到正弦严格对称的双极性SPwM波形，载波比要为3的整数倍且为奇数。 5．4 为了得到理想的波形，软件编程时要特别注意几个重要寄存器的改写方式。 参考文献 [1] L. Gyugyi. Unified Power Flower Flow - Control Concept for Flexible AC Transmission Systems[J]. IEE Proc - C, 1992,139 (4) :323 - 331. [2] 刘和平，严利平，张学锋，等．TMS320LF240x DSP结构、原理及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002． [3] 李宵燕，李兰英，董怀国．UPFC物理模型SPWM控制技术的研究与实现[J]．哈尔滨理工大学学报．1998，13(2)：49-52． [4] 王兆安，黄俊．北京：电力电子技术，机械工业出版社，2003． [5] 徐以荣，冷增祥．电力电子学基础[M]．常州：东南大学出版社。1998．