SPWM波形优化算法及其DSP实现
更新时间:2024-02-01 06:32:01 阅读量: 教育文库 文档下载
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SPWM波形优化算法及其DSP实现
1.引言
从逆变器诞生之日起人们就把改善输出波形,消除谐波,提高波形质量作为一项重要的研究内容,所以对SPWM波形的谐波分析有着十分重要的意义[1]。对于实时计算的PWM控制方法常常需要建立数学模型,较为常用的是采样型的SPWM法。文[2]指出,在对正弦波进行调制时,采用三角波作为载波比用锯齿波产生更少的谐波分量,自然采样SPWM法就是通过正弦波与三角波的比较来决定开关点的位置,原理简单易于用模拟电路实现,但由于其开关模式不能用显式表达,难以用微机实现实时控制,因此发展了规则采样法。
本文给出了一种基于DSP的对称规则SPWM生成法——开关点预置算法,开关点预置最优SPWM控制波形的确定是以输出THD性能指标最小为优化目标,在同样开关频率的前提条件下,从所有可能的开关控制波形中唯一地筛选出来的,因此所选取的开关控制波形即为同样开关频率下所有SPWM控制波形中最优的选择,以此来控制逆变桥开关,其最终输出正弦信号也必然地具有最优性。
2.对称规则SPWM波的生成
自然取样法的主要问题是SPWM波形每一个脉冲的起始和结束时刻tA和tB对于三角载波的中心线不对称,因而求解困难[3]。工程上实用的方法要求计算简单,误差不是很大,因此对自然取样法进行一些近似处理,得出了各种规则采样方法。
规则采样法是波形发生器通过编程方法实现的几种方式之一,这种方式使PWM波产生的谐波小,在三相异步电动机变频调速系统中,通常都采用此种方法。
在三角波的一个周期内,只利用三角波的一个峰值点
所对应的正弦函数值求取的脉冲以三角波的峰值点为对称,因此这种采样法称为对称规则采样法,如图1所示。
图1. 生成SPWM波的规则采样法
若以单位量1代表三角载波的幅值Uc,则正弦波的幅值Um就是调制度m,m=Um/Uc,再由图1几何关系可知:
式中:ωs为正弦调制信号的角频率, ;Tc为载波周期;fm为调制波频率。根据脉宽时间计算公式,如果一个周期内有N个矩形波(通常N取为3的整数倍),载波比N=fc/fm,则第i个矩形波的占空比为:
(3)
可见,在已知载波周期Tc、正弦波电压Um或m以及每个特定时刻的函数值,便可以计算出第i个脉宽时间和间隙时间。
3.谐波分析
对一般准矩形波进行傅立叶级数变换
n为奇数 (8)
根据式(8)可算出每组开关点控制对应的最终正弦波输出电压的各次谐波幅值,即可进一步计算出基波含量和谐波含量等性能指标,并以此作为开关点方案选取的标准。
4. 十三块波最优SPWM控制
对于采用十三块波(正弦波每周期有13个脉冲)开关点预置SPWM时,其独立的开关角有六个,如图2所示,分别为θ1-θ6。
将θ1-θ6代入式(8),在理想开关状态下,求出变换器输出电压第n次谐波的幅值为
图2:十三块波开关点预置最优SPWM信号
通过对式(9)进行计算机搜索,。在量化开关点范围内,连续变化θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6,搜索求解总谐波含量最小的开关点,得到十三块波的最优解为:
十三块波最优SPWM:q1=24C, q2=46C, q3=81C, q4=97C, q5=161C, q6=172C C= P/1024
经过进一步验证此最优开关点具有相对稳定性,同时对所选择的最优方案进行各次谐波分析,验证其最优性。表1表示了十三块波最优SPWM在仿真下各次谐波含量统计分析。
表1:十三块波最优SPWM控制各次谐波含量分析 谐波次数幅值百分含量 10.8752710.999956 50.0003750.000421 70.0009280.001068 110.0028190.003213 130.0028120.00322 170.0006660.000753 190.0025890.002965 230.0007640.000865 250.002220.002544 290.0025530.002909 310.0001830.000217 350.0025280.002881 370.0021510.002465 THD:0.0078405 5.软件设计
根据开关点预置SPWM控制思想,将一周期内的6个功率管开关信号按一定时间间隔采样,并顺序存贮到一定容量大小的存贮单元中,对应程序模块为开关点信号的预置程序,首先建立4K个数据大小的开关数据缓冲区,根据独立开关角的大小,将一周期内的6个功率管开关信号顺序存贮于4096个存贮单元,DSP定时地从存贮开关信号的地址上读取数据输出,即可实现特定的开关信号输出。而开关角可以在工作过程中动态改变,实现动态开关点预置。对于十三块波50Hz的控制波形输出,其独立的开关角为六个,读取开关信号时间周期为1/(50*4096)=4.88μs。在DSP中,波形存贮地址中的每个数据信号为32位,将其低六位依次存放A+(A相上管)、A-(A相下管)、B+、B-、C+和C-开关信号,数据1代表开通状态,数据0代表关断状态。
在开关点信号的预置程序中,将存贮地址偏移变量从0变化到4096,对于每个偏移变量,根据对称性,变化至(0,90°)范围,再与预置开关角比较,判断该位置的开关状态。为了简化计算,提高实时工作能力,需对开关点信号的预置程序进行优化,根据一组开关波形推导出其余五组开关状态,如果位于某个偏移地址的A+为1,则A-为0;120°滞后地址上B+为1,则B-为0;240°滞后地址上C+为1,则C-为0。这样偏移地址仅在一周期内进行一次循环,就可完成全部六组开关信号的预置。为实现50Hz的开关波形输出,DSP利用其内部的时钟中断,设定时钟中断周期4.88μs,每次时钟中断,DSP顺序读取一次预置开关点信号数据,将其送到数据总路线输出,同时开关点信号数据的地址指向下一个数据。这样,在数据总线的低六位就可得到6个功率管的连续开关控制波形。
6.实验结果
实际测得一路 SPWM输出波形及滤波后的波形图,如图3所示。可见,DSP的PWM输出经过滤波后能够得到正弦波形,并且由图示波形可看出其周期约为20ms,同时,对输出的DSP信号经过测量,得到的信号数据进行了傅立叶分析,得到信号频谱数据,经过统计,得到如图4所示的输出信号频谱,最终,该实验输出的SPWM波形信号的THD=0.816%。
7.结论
基于DSP的正弦波脉宽调制波(SPWM)谐波优化的开关点预置算法,可以充分利用DSP的运算速度,此外,采取此种控制方案在满足输出性能指标的前提下,具有开关频率低,系统损耗小、系统效率高以及直流利用率高等优点。
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