用SPMC75实现SVPWM合成

1 概述

　　随着计算机技术和电力电子技术的发展,变频驱动技术凭借其优异的性能,在当今交流调速领域的应用越来越广。

　　变频驱动主要使用的驱动波形主要有SPWM和SVPWM两种。SPWM原理简单、实现容易,是现在使用最广的一种变频驱动波形。但其有一个致命的弱点是其电源利用率不高（只有86%）、谐波成分大。因此,在新近开发的产品中其应用逐渐被性能优异的SVPWM所取代。

　　SVPWM是一种电压利用率、低谐波成分的变频驱动波形,还有开关次数少、功率管功耗小等特点。同时,SVPWM还能很好的结合矢量控制算法、以最大限度的发挥设备的性能。因此被越来越多的变频设备所采用。

2 芯片简介

　　SPMC75系列MCU是凌阳科技公司设计开发的高性能16位通用MCU,具有很强的抗干扰能力、丰富易用的资源以及优良的结构,特别是增强的定时计数器和PWM输出功能。

　　SPMC75系列MCU使用凌阳u''nSP内核,u''nSP内核是一种高效的16位CISC内核。支持乘法、乘法累加、32/16位除法、FIR等高性能运算;支持两种中断模式。可以方便的产生SPWM波、空间电压向量PWM（SVPWM）等各种电机驱动波形。

　　除了拥有高性能的CPU外,SPMC75系列MCU还集成了多种功能模块：多功能I/O口、同步和异步串行口、高性能ADC、普通的定时计数器、多功能的捕获比较模块、BLDC电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口、能产生各种电机驱动波形的PWM发生器等。同时,SPMC75系列单片机内部集成了32K Words的Flash和2K Words的SRAM。

　　利用这些硬设支持,SPMC75系列单片机可以完成诸如家用电变频驱动、标准的工业变频驱动器、多环的伺服驱动系统等复杂应用。

3 SVPWM合成原理

　　如图1 所示的三相逆变桥中六个开关管有8种允许的开关组合,其中有6种有效的开关组合,称为非零基本空间电压矢量;有2种为无效开关状态,称为零空间电压矢量。当逆变器单独输出六种基本电压空间矢量时,电动机的定子磁链矢量 的矢端的运动轨迹是一个正六边形,如图2所示。

图 1 电压空间矢量和三相电压型逆变电路

图 2 正六边形磁链轨迹

显然,按照这样的供电方式只能形成正六边形的旋转磁场,而不是我们希望的圆形旋转磁场。

　　怎样获得圆形旋转磁场？一个思路是,如果在定子里形成的旋转磁场不是正六边形,而是正多边形,我们就可以得到近似的圆形旋转磁场。显然,正多边形的边数越多,近似的程度就越多。但是非零的基本电压空间矢量只有六个,如果相获得尽可能多的多边形旋转磁场,就必须有更多的逆变器开关状态。下面介绍这种线性时间组合方法。

图 1-3 电压空间矢量的线性组合

　为了使磁链的运动速度平滑,零矢量一般都不是集中地加入,而是将零矢量平均分成几份,多点地插入到磁链轨迹中,但作用的时间和仍为t0,这样可以减少电动机转矩的脉动。

图 1-4 Ｕout的最大轨迹圆

　　经上述合成方法,最终将得到如图 1-5所示的七段式电压空间矢量PWM波形。

图 1-5 七段式电压空间矢量PWM波形

4 SVPWM在SPMC75上的实现

　　SPMC75系列MCU内部集成的MCP定时器可以方便的产生SVPWM,图1-6所示是用SPMC75实现SVPWM合成的结构框图。系统包括PWM发生模块、空间向量变换等几部分。

　　图中的PWM发生器使用SPMC75的MCP定时器实现,MCP定时器内部具有多组比较匹配硬件,系统软件只需要将算出的三个SVPWM合成所需的定时时间值送入相应的比较匹配寄存器就可。MCP可以自动输出所需的三相六路的互补SVPWM;同时,MCP内部集成死区插入硬件和系统保护逻辑,以最大限度减小用户开发难度。

　　空间向量变换部分主要实现向量变换、扇区计算和矢量时间计算几种功能,这部分使用软件方式实现。其计算出的时间直接送到PWM发生器就可以输出所需的PWM波形。框图中的其它部分也使用软件实现。

　　SPMC75所使用的u''nSP内核内部集成有硬件乘法器,拥有专用的乘法累加操作指令。对整个SVPWM的合成提供了极大的帮助。在24MHz系统时钟时,实现整个SVPWM合成算法只需要21us的运算时间。

图 1-6 SVPWM合成框图

5 结语

　　凌阳科技公司新推出SPMC75是一系列功能强大的工业级MCU,具有极强的抗干扰能力。其内部集成有高性能的ADC、增强型的定时计数器等功能部件,强大的定时器和PWM生成功能使其在电机控制领域有非常杰出的表现。用SPMC75系列MCU可以方便的构成各种电机的高性能驱动系统。