SPWM调制技术在静止无功发生器中的应用_高绪明

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( 8)
当脉冲的中间距落在 [ P, 2P] 之间时, 占空比
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 SPMW 控制方式, 可以输出质量较高的正弦
波。 生成 SPMW 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。
( Schoo l of E lectr ic Eng ineer ing, Guangx iU n iversity, N anning 530004, China)
Abstract: T he paper discussed m a in ly the im p lem en ting m ethod o f contro l signa l of SVG s' inverter. T he contro l ob ject is three- phase bridge inverted c ircu it consisting o f six g roups o f IGBT and d iode in reversed para lle l connection to them, the pulse w idth of the key con tro l signa l SPWM is acqu ired by sam pling w ith m ed ian rule, and using so ftw are produces the SPWM w ave form w ith dig ita l signal processor TM S320LF2407DSP, w hich has m any advantages, h igh contro lling prec ision and better real tim e perform ance. K ey w ords: stat ic var generator ( SVG ) ; sine pulse w idth m odulat ion ( SPWM ); dig ita l signa l processor ( DSP ) ; m edian law sam p ling
根据上述原理, 我们来求 SPWM 波形的脉宽 值。设三角载波的幅值为 U cm 且保持不变, 正弦 调制波为 ur ( t) = Urm sin( X1 t) , 其中 Urm 是正弦调 制波的幅值, X1 是正弦调制波的角频率。正弦调 制波的幅值与三角波载波的幅值之比即 Urm /Ucm = M ( 0 < M < 1) 为调制 度。当采 样时 刻为 X1 te 时, 根据三角形相似关系, 由图 1有
TM S320LF2407DSP是 T I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 TM S320LF2407DSP 芯片产生 SPWM 控制波 形的实现方法。
收稿日期: 2006 - 11- 28 作者简介: 高绪明 ( 1982- ) , 男, 广西大学电气工程学院硕士研究生, 主要研究方向为电力系统风力发电。
的 矩 形 波 个 数 为 N, CPU 的 指 令 周 期 为 T s
( TM S320LF 2407DSP 为 33 ns), 时钟预分频数为
m, 则
P = T /NmT s
( 6)
设 T = 0. 02 s, 依据式 ( 6) 除以 2就可以确定定时
器 T 1 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
变器开关元件最大开关频率的限制, 同时还会增
加开关损耗, 这样要求 fC 又不能太高。 1. 2. 3 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 SPWM 波具有四分
之一周期对称, 正、负半波对称和三相 120b对称。
1. 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
线和三角波分别交于 A 点和 B 点。在 A 点的时
刻 tA 和 B 点的时刻 tB 控制功率器件的通断。也 就是说, 中值规则采样法是用一段水平线段代替 一段正弦曲线, 从而将正弦波简化为阶梯波。
此计数值除以 2N 即是电网频率变化后的定时器
T 1 周期寄存器的值 T c。
2. 2. 4 占空比公式中的正弦函数值的求取采用
查表法。
2. 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
调制度 M 就能调幅。为保证逆变器开关元件的
安全换流, SPWM 波存在最小脉宽和最小间隙的
限制。M 太小或太大都可能突破限制。
1. 2. 2 载波比 N
N = fC /fR
( 2)
对正弦调制波来说, N 越大, 输出交流电压的
谐波含量越少, 被消除的低次谐波的次 数越高。 为此应尽可能提高载波频率 fC 以减小交流输出 电压的谐波分量, 但另一方面, 提高载波频率受逆
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。
1. 2 三个相关概念
1. 2. 1 调制度 (幅值调制系数或幅值比 )M
M = UR /UC
( 1)
改变调制波 ur ( t )的幅值 UR , 能改 变 SPWM
波的脉宽, 就可调节输出基波电压的幅值即改变
H e ilong jiang E lectric Power
Oc.t 2007
用 TM S320LF2407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
) 332 )
第 29卷 第 5期
黑龙江电力
2007年 10月
1 SPWM 控制技术介绍
1. 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, 其效果基本的。为了 实现 SP-
冲的中间距落在 [ 0, P] 之间时, 占空比 D1 为
D1 = 0. 5+ 0. 5M sin( I @ 2P/N )
( 7)
比较寄存器 CMPRx ( x = 1, 2, 3) 的值为 CM-
PRx = T c ( 1- D1 ) / 2= ( 0. 5- 0. 5M sin( I @ 2P/N ) )
静止无功发生器 ( SVG) 已成为静止无功补偿 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 正负半周也对称的正弦脉宽调制 ( SPWM ) 波形是 十分关键的。
要求实时检测电网的频率, 以使所产生的 SPWM
的 频 率 和 电 网 的 频 率 相 等。 这 一 点, 利 用
TM S320LF2407DSP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 F IFO 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 )。
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 ( SCR1和 SCR2) 、设置看门狗控制寄存器
(W DCR) 和将 I /O引脚设置为 SPWM 波输出引脚。
2. 2. 2 件管理器模块的初始化。
2. 2. 3 确定定时器 T 1 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 I/O ( SPWM ) 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 SPWM 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 CM PRx 的值即可。
2. 2 软件编程的几个环节及程序流程图
2. 2. 1 系统的初始化。包括禁止中断 ( INTM =
图 1中的水平线与三角载波的交点 A、B 将 T c 分为三个时间段: t1、t2 和 t3。 t2 对应于脉冲的 宽度, t1 和 t3 对应于脉冲的间隙。在不同的三角 载波周期内 E 点的采样值不同, 时间段 t1、t2 和 t3 也不同, 因而矩形脉冲宽度也不同。从以上的说 明我们可以看出, 求出时间段 t2 的值即相当于求 出了 SPWM 信号波形的脉宽值。
( 5)
式 ( 5)便是实时计算 SPWM 波形脉宽时间的基本