用SPMC75實現(xiàn)SVPWM合成

1 概述

　　隨著計算機技術和電力電子技術的發(fā)展,變頻驅動技術憑借其優(yōu)異的性能,在當今交流調速領域的應用越來越廣。

　　變頻驅動主要使用的驅動波形主要有SPWM和SVPWM兩種。SPWM原理簡單、實現(xiàn)容易,是現(xiàn)在使用最廣的一種變頻驅動波形。但其有一個致命的弱點是其電源利用率不高（只有86%）、諧波成分大。因此,在新近開發(fā)的產品中其應用逐漸被性能優(yōu)異的SVPWM所取代。

　　SVPWM是一種電壓利用率、低諧波成分的變頻驅動波形,還有開關次數(shù)少、功率管功耗小等特點。同時,SVPWM還能很好的結合矢量控制算法、以最大限度的發(fā)揮設備的性能。因此被越來越多的變頻設備所采用。

2 芯片簡介

　　SPMC75系列MCU是凌陽科技公司設計開發(fā)的高性能16位通用MCU,具有很強的抗干擾能力、豐富易用的資源以及優(yōu)良的結構,特別是增強的定時計數(shù)器和PWM輸出功能。

　　SPMC75系列MCU使用凌陽u''nSP內核,u''nSP內核是一種高效的16位CISC內核。支持乘法、乘法累加、32/16位除法、FIR等高性能運算;支持兩種中斷模式?？梢苑奖愕漠a生SPWM波、空間電壓向量PWM（SVPWM）等各種電機驅動波形。

　　除了擁有高性能的CPU外,SPMC75系列MCU還集成了多種功能模塊：多功能I/O口、同步和異步串行口、高性能ADC、普通的定時計數(shù)器、多功能的捕獲比較模塊、BLDC電機驅動專用位置偵測接口、兩相增量編碼器接口、能產生各種電機驅動波形的PWM發(fā)生器等。同時,SPMC75系列單片機內部集成了32K Words的Flash和2K Words的SRAM。

　　利用這些硬設支持,SPMC75系列單片機可以完成諸如家用電變頻驅動、標準的工業(yè)變頻驅動器、多環(huán)的伺服驅動系統(tǒng)等復雜應用。

3 SVPWM合成原理

　　如圖1 所示的三相逆變橋中六個開關管有8種允許的開關組合,其中有6種有效的開關組合,稱為非零基本空間電壓矢量;有2種為無效開關狀態(tài),稱為零空間電壓矢量。當逆變器單獨輸出六種基本電壓空間矢量時,電動機的定子磁鏈矢量 的矢端的運動軌跡是一個正六邊形,如圖2所示。

圖 1 電壓空間矢量和三相電壓型逆變電路

圖 2 正六邊形磁鏈軌跡

顯然,按照這樣的供電方式只能形成正六邊形的旋轉磁場,而不是我們希望的圓形旋轉磁場。

　　怎樣獲得圓形旋轉磁場？一個思路是,如果在定子里形成的旋轉磁場不是正六邊形,而是正多邊形,我們就可以得到近似的圓形旋轉磁場。顯然,正多邊形的邊數(shù)越多,近似的程度就越多。但是非零的基本電壓空間矢量只有六個,如果相獲得盡可能多的多邊形旋轉磁場,就必須有更多的逆變器開關狀態(tài)。下面介紹這種線性時間組合方法。

圖 1-3 電壓空間矢量的線性組合

　為了使磁鏈的運動速度平滑,零矢量一般都不是集中地加入,而是將零矢量平均分成幾份,多點地插入到磁鏈軌跡中,但作用的時間和仍為t0,這樣可以減少電動機轉矩的脈動。

圖 1-4 Ｕout的最大軌跡圓

　　經上述合成方法,最終將得到如圖 1-5所示的七段式電壓空間矢量PWM波形。

圖 1-5 七段式電壓空間矢量PWM波形

4 SVPWM在SPMC75上的實現(xiàn)

　　SPMC75系列MCU內部集成的MCP定時器可以方便的產生SVPWM,圖1-6所示是用SPMC75實現(xiàn)SVPWM合成的結構框圖。系統(tǒng)包括PWM發(fā)生模塊、空間向量變換等幾部分。

　　圖中的PWM發(fā)生器使用SPMC75的MCP定時器實現(xiàn),MCP定時器內部具有多組比較匹配硬件,系統(tǒng)軟件只需要將算出的三個SVPWM合成所需的定時時間值送入相應的比較匹配寄存器就可。MCP可以自動輸出所需的三相六路的互補SVPWM;同時,MCP內部集成死區(qū)插入硬件和系統(tǒng)保護邏輯,以最大限度減小用戶開發(fā)難度。

　　空間向量變換部分主要實現(xiàn)向量變換、扇區(qū)計算和矢量時間計算幾種功能,這部分使用軟件方式實現(xiàn)。其計算出的時間直接送到PWM發(fā)生器就可以輸出所需的PWM波形?？驁D中的其它部分也使用軟件實現(xiàn)。

　　SPMC75所使用的u''nSP內核內部集成有硬件乘法器,擁有專用的乘法累加操作指令。對整個SVPWM的合成提供了極大的幫助。在24MHz系統(tǒng)時鐘時,實現(xiàn)整個SVPWM合成算法只需要21us的運算時間。

圖 1-6 SVPWM合成框圖

5 結語

　　凌陽科技公司新推出SPMC75是一系列功能強大的工業(yè)級MCU,具有極強的抗干擾能力。其內部集成有高性能的ADC、增強型的定時計數(shù)器等功能部件,強大的定時器和PWM生成功能使其在電機控制領域有非常杰出的表現(xiàn)。用SPMC75系列MCU可以方便的構成各種電機的高性能驅動系統(tǒng)。