基于RTW的SVPWMDSP控制系统_张卫丰

2007年 3 月电工技术学报Vol.22 No.3 第22卷第3期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2007

基于RTW的SVPWM DSP控制系统

张卫丰 余岳辉

（华中科技大学电子科学与技术系武汉 430074）

摘要提出一种基于实时代码生成工具（RTW）的TMS320F2812 DSP控制系统，介绍了控制系统的硬件结构，给出了基于RTW的DSP控制系统的设计流程。结合此集成一体化控制平台，介绍了一种五段法空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法，利用Matlab/Simulink工具建立了算法模型，给出了其仿真结果，实现了从模型到实时代码的转换，并与传统手工编写代码实验结果进行了比较，两种方法结果吻合。这种基于模型的设计流程，实现了工程开发过程从算法设计到最终实现的所有阶段，提高了产品开发效率，降低了成本。

关键词：实时代码生成工具 TMS320F2812 DSP 空间矢量脉冲宽度调制控制系统

中图分类号：TM921.5

Study of the DSP Control System for SVPWM Based on RTW

Zhang Weifeng Yu Yuehui

（Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）Abstract The TMS320F2812 DSP control system based on real-time workshop (RTW) is proposed. The hardware configuration of the control system is introduced and the design cycle of it is shown. A 5-segment SVPWM algorithm is presented. Algorithm models are built in Matlab/Simulink and the simulation results are shown. Using the proposed integrated control platform, automatic real time code generation is realized from algorithm models. Then an executable file produced from the c-codes through the TI DSP c-compiler is downloaded into the TMS320F2812 DSP board and implemented through the DSP. The experimental results are compared to the results of the conventional handwork programming. The agreement of them validates the proposed design concept. The presented model-based design of the control system integrates all the development process from algorithm scheme to the realization of it, and improves the efficiency of product development and reduces the manufacturing cost.

Keywords：RTW, TMS320F2812 DSP, SVPWM, control system

1引言

数字化、集成化已成为现代电力电子技术发展的趋势，兼有高运算速度和强控制能力的DSP在逆变器、电机等电力电子设备的控制领域得到了广泛应用。然而，DSP虽然为控制系统提供了很好的硬件支撑平台，但对传统设计，设计者不仅要开发控制算法，而且要花费大量的时间去掌握DSP内部的各种寄存器的正确设置及软件编程方法，开发周期长，延迟了产品的上市时间。目前，不断更新的Matlab 软件具有功能强大的工具集，为传统设计方法的革新提供了可能。其基于模型的图形化设计方法在电子产品开发中得到了广泛应用[1-3]，图形化可执行的设计规范、模型自动代码生成、设计同步的验证测试等设计过程代替了传统文本格式设计规范、手工编写代码及设计完成的测试等方法，大大减少了开发时间和成本。其中，文献[1]主要针对德国dSPACE 公司出品的实时仿真系统，文献[2-3]主要涉及基于RTW的DSP控制器设计方法。随着工业控制对控制性能的不断提高，各种优化控制算法正在成为控制产品在市场上取胜的必要因素。在众多控制技术中，

教育部博士点基金资助项目（20050487044）。收稿日期 2006-05-31 改稿日期 2006-08-21

第22卷第3期张卫丰等基于RTW的SVPWM DSP控制系统 103

空间矢量调制技术（SVPWM）以其易于数字实现，电压利用率高等优点，得到了广泛的应用[4]。然而目前国内外文献主要集中在对七段对称法SVPWM的理论研究[5]。对便于DSP硬件实现的五段法SVPWM 和基于RTW的直接代码生成开发技术相结合的文献很少。

在此背景下，本文提出了一种基于实时代码生成工具的优化算法DSP数字控制系统，以TI公司的TMS320F2812 DSP为控制芯片，以提出的优化五段法SVPWM作为控制算法，利用目前最新推出的Matlab R2006a版本中的Embedded Target for TI C2000 DSP模块建立此优化SVPWM控制算法模型，自动转换为嵌入式C代码并自动编译下载到微控制器中，从而实现系统算法设计和代码实现的统一及优化算法和先进DSP应用的结合，为基于RTW DSP 控制器开发技术的应用提供了有益的借鉴，大大缩短了控制器开发周期，降低了开发成本。

2 基于RTW的控制系统结构

图1基于RTW的DSP控制系统结构框图。本文主要讨论图中虚线框部分。

图1 控制系统结构框图

Fig.1 Control system configuration

在一台用户PC机上，建立基于Matlab/Simulink /RTW开发环境的控制算法模型，在线实时仿真调试，代码自动生成，并通过TI公司CCS编译、下载移植到TI DSP目标板上。控制电路的核心器件采用了TI公司的32位150 MIPS数字信号处理器（DSP）TMS320F2812[6]，负责提供PWM信号和各种接口功能及A/D转换功能。与以前的DSP相比，TMS320F2812速度更快，I/O引脚更多，其FLASH、OTP ROM、SRAM受密码保护，可以保护用户程序，具有速度高达80ns的高性能A/D转换器和改进的通信接口及增强的电机控制外设。它可连接所有需要的外围器件，准确地管理功率器件部分所需要的所有模拟反馈和控制信号。同时还具有一个标准的JTAG接口，用以系统程序的下载和调试。从而为用户提供了一个完整可靠的可编程系统解决方案，也为各种控制算法的实时代码实现提供了硬件支持。

3基于RTW的DSP控制系统设计流程

利用DSP实现一个实时数字控制系统的一般步骤包括[7]：

（1）根据设计要求，确定优化控制算法，并需要在Matlab、Pspice等软件中进行原理或功能级的模拟。

（2）选择合适的DSP芯片及外围器件进行硬件设计。

（3）编写DSP程序代码。

（4）在DSP编译器上调试程序，并通过仿真器在DSP上在线调试，做到程序和硬件电路都能满足要求。

（5）调试成功的产品代码固化到DSP控制系统板上。

这样一个传统的控制系统开发方法是由不同的项目组使用不同的工具完成不同阶段的开发工作，由于各组之间对系统缺乏统一的理解，往往出现很多衔接问题，既增加了产品开发成本又延长了开发时间。对于一个已经具有了硬件电路平台的系统来说，MathWorks公司的Matlab软件提供的Simulink ／RTW工具集可以把上述其余四个阶段有机地结合起来，将整个系统开发过程集成到一套平台中完成。于是，一组设计人员即可完成整个系统的设计工作，从而大大减少了开发的周期和成本。其设计流程如图2所示。

图2 基于RTW的DSP控制系统设计流程

Fig.2 Design cycle of the RTW-based DSP control system

Matlab最新版R2006a的RTW支持更多目标环境配置，用户可以根据需要选择不同的实时目标，如Infineon C166、Motorola HC12、Motorola MPC555、OSEK/VDX?、TI C6000 DSP、TI C2000 DSP等。对一个控制系统一体化设计而言，最为引人注目的是MathWorks公司和TI公司共同开发的Embedded Target for TI C2000 DSP Simulink工具箱，此产品集成了当前控制领域用最先进的TI公司24系列和28

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系列DSP软件技术，与TI公司硬件目标板一起可以组成一套控制系统开发和测试的工作平台，广泛地应用于航空航天、汽车、机器人及工业控制等领域。Embedded Target for TI C2000 DSP提供了将Matlab和Simulink与Texas Instruments expressDSP TM工具、TI C2000 DSP处理器集成在一起进行系统开发的手段。通过RTW和TI开发工具将Simulink模型转变成为实时C代码，即可利用这些产品在TI C2000 DSP系统上实现自动代码生成、产品原型和嵌入式系统。本产品支持TI C28x 32位定点DSP和C240x 16位定点DSP，可以在F2812 eZdsp和the F2407 eZdsp评估板上自动完成应用程序的编译、链接、下载和程序的执行。

4 基于RTW的SVPWM DSP实现

一个以TMS320F2812为控制核心的实时控制系统可以广泛地应用于整流器控制、逆变器控制、电机控制等领域。功率电路的输出控制性能主要取决于控制算法，SVPWM以其易于数字实现，电压利用率高等优点，得到了广泛的应用。众多文献都集中在对七段式SVPWM的研究，本文提出了一种易于DSP硬件实现的五段式合成法。

4.1 五段法空间矢量算法

在αβ参考坐标系中，旋转矢量V ref可以用V0～V7 8个矢量的线性组合去等效，6个有效电压空间矢量V1～V6和2个零电压空间矢量V0、V7。空间矢量由一个有效状态转移到另一个有效状态，产生连续的三相电压，使所产生的实际电机气隙磁通轨迹逼近圆形。

图3给出了五段式合成法算法第一扇区开关信号的分布。图中V1～V6为6个有效电压空间矢量，V0、V7为2个零电压空间矢量，G a、G b、G c分别表

图3 五段法SVPWM第一扇区开关序列Fig.3 5-segment switching sequences of sectorⅠ示三相桥上桥开关器件的开关信号，P1、P2、P3分别表示相应的开关序列，T0、T x、T y分别表示零矢量和2个特定矢量的作用时间，T cm1、T cm2、T cm3分别表示三相开关信号的切换时间。分析可以看出，五段法和七段法的主要区别在于各扇区开关序列不同，算法的其余流程和七段法是相同的[8]。本文主要讨论五段法各扇区开关信号的确定。

由图3可知，两个特定矢量作用时间一分为二，对称于零矢量V7（111），在一个开关周期内，三相中有一相桥臂开关不动作，开关频率f S=(2/3)T，式中T为开关周期。相对于七段式合成方法，减少了开关次数，从而降低了开关损耗。定义：T a = 0，T b=T a+ T x/2，T c=T b + T y/2，图3给出了第一扇区矢量切换点T cm1、T cm2、T cm3及由其得出的开关信号。所有扇区矢量切换点赋值见表1，各扇区的开关序列见表2。依表1、表2可以得到三相桥臂各扇区的开关驱动信号，从而使逆变器输出三相接近正弦的电压。

表1矢量切换点T cm1、T cm2、T cm3赋值表

Tab.1 Value of switch points T cm1, T cm2 and T cm3

扇区ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ

T cm1T a T b T c T c T b T a

T cm2T b T a T a T b T c T c

T cm3T c T c T b T a T a T b

表2 各扇区开关序列

Tab.2 Switching sequences for each sector

扇区ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ

G a P1P2P3P3P2P1

G b P2P1P1P2P3P3

G c P3P3P2P1P1P2

4.2 仿真及实验分析

Matlab/Simulink环境下SVPWM的模型一般包括扇区判断，T x、T y及T cm1、T cm2、T cm3赋值，SVPWM 的产生及逆变器、负载等模块。模型框图如图4所示。通过调整系统模块参数来改变系统性能，仿真结果如图5所示，由图可见此系统模型是可行的。

如果已达到系统目标设计要求，在模型中添加Embedded Target for TIC2000 DSP所提供的C28X PWM子模块，并进行PWM输出单元、PWM引脚极性以及死区时间设置。同时加入F2812 eZdsp子模块，在此模块中要进行编译属性、目标板和仿真器的选择的设定，用于生成目标DSP代码。该模块不需要与其他模块连接，可放在模型的任何地方。建

第22卷第3期

张卫丰等 基于RTW 的SVPWM DSP 控制系统

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图4 SVPWM 系统仿真模型 Fig.4

System simulation model of SVPWM

图5 SVPWM 仿真波形 Fig.5 Simulation results of SVPWM

立好的直接代码生成模型可以通过对RTW 进行属性设置，在Matlab 环境下编译生成C 语言代码，并自动连接TI DSP 的软件集成开发环境CCS ，CCS 将编

译由Matlab/Simulink 所生成的SVPWM 项目代码（C 语言主程序、cmd 文件、头文件和Lib 文件），并生成目标DSP 板可执行文件。如果已连接TMS320F2812 DSP 目标板，由Maltab/Simulink 生成的目标代码自动下载到目标板并运行，不需作两个开发平台下的程序移植即可获取最优的控制程序代码。图6给出了基于RTW 的SVPWM DSP 实验结果。图中所生成的DSP SVPWM 脉冲序列频率为50Hz ，线电压波形近似为正弦波形。图7是同样条件下通过编程实现的五段法SVPWM DSP 实验结果。对比两图可以看出，基于RTW 模型可以直接生成产品级代码，完全可以替代手工编写的程序代码，从而大大减少了产品开发周期，降低了生产成本。

图6 基于RTW 的SVPWM DSP 实验结果 Fig.6 DSP experimental

results of RTW-based SVPWM

图7 编程实现的SVPWM DSP 实验结果

Fig.7 DSP experimental results of handwork programmin

5 结论

提出了一种基于RTW 的TMS320F2812 DSP 控

制系统，介绍了一种五段法SVPWM ，基于模型的设计流程实现了工程开发过程从SVPWM 算法设计到最终实现的所有开发阶段。研发省去了用C 语言或者汇编编程及各程序模块之间衔接问题，可以专心致力于优化算法的开发和系统性能的提高，降低了开发成本，缩短了开发周期。在此集成一体化系统

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中实现了文中算法，验证了系统的可行性，给出了其设计流程。这种在Matlab环境下的集成一体化技术为DSP系统开发提供了一种新思路。

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作者简介

张卫丰男，1978年生，博士研究生，研究方向为功率系统集成技术及系统建模与仿真。

余岳辉男，1946年生，教授，博士生导师，研究方向为电力电子器件及应用技术。