基于TMS320F28335的三相SPWM变频技术研究

谢芳芳

（湖南工业职业技术学院电气工程系，湖南 长沙，410208）



基于TMS320F28335的三相SPWM变频技术研究

谢芳芳

（湖南工业职业技术学院电气工程系，湖南 长沙，410208）

［摘要］正弦脉宽调制（SPWM）技术是一种适用于大功率电力开关变换装置的高性能开关调制策略，在变频调速系统中应用很广泛。TMS320F28335具有强大的数据处理能力，其EPWM模块非常适于产生SPWM波形。本文介绍了一种基于28335的三相SPWM变压变频调速系统，给出了硬件电路与程序流程，系统可扩展性强。该方法采用对称规则采样算法，计算量小，实时性高。通过CCS V5/simulator仿真表明，该方法实现了三相SPWM的有效输出。

［关键词］TMS320F28335；三相SPWM；变频技术；规则采样

引言

SPWM即正弦波脉宽调制，是一种通过改变输出方波占空比来改变等效输出电压的调制方式，经过调制后的波形其占空比按正弦规律排列，经过适当滤波后可以做到与正弦波等效的输出。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频调速领域应用非常广泛。

TMS320F28335数字信号处理器是F2812的升级版本，最高运行频率150MHz，是控制类的首块32位浮点DSP，主要应用于高性能电机控制和其他嵌入式控制系统，是目前工业控制的主流芯片之一。F28335集成了6个DMA通道支持ADC，采样速度快，尤其适用于采样精度要求较高、工作环境比较恶劣的控制场合。与其他芯片相比，F28335的EPWM模块功能更加完善，它的18路独立的PWM输出，每路PWM （EPWMxA和EPWMxB）均可生成相互独立的控制脉冲，进行相位控制、死区控制、异步控制等，也可成对产生SPWM波形，可方便输出6对SPWM控制信号，分别去控制变频变压调速系统IGBT管的开关状态。同时，因其能直接进行浮点运算，具有强大的数据处理能力，有足够的能力实现各种变频调速控制算法，使其成为目前变频调速控制领域的热点主控芯片。

1 SPWM变压变频调速基本原理

在进行异步电动机调速时，通常希望保持电动机中每极磁通量为额定值，并保持不变。

式中，E1是气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；f1是定子电源电压的频率；N1是定子每相绕组串联匝数；kN是基波绕组系数；Φm是每极气隙磁通量（Wb）

由式（1）可知，只要同步控制U1与f1，即在改变频率的同时改变定子电压，使U1/f1=C，即可保持Φm不变。

2 F28335的EPWM模块

TMS320F28335有 6个加强型正弦脉宽调制（EPWM）模块，每个完整的PWM通道都由两个PWM输出组成，即EPWMxA与EPWMxB（x=6）。EPWM模块包含时间基准、计数比较、动作限定、死区控制、PWM斩波等子模块，其中动作限定子模块在波形产生中起到重要作用，它决定输出高或低电平的波形，从而使EPWMxA和EPWMxB输出所需要的开关波形。动作限定子模块可在下列事件发生时引起输出波形的跳变：时间基准计数器等于周期（TBCTR= TBPRD）；时间基准计数器等于0（TBCTR=0X0000）；时间基准计数器等于有效计数比较寄存器A值（TBCTR =CMPA）；时间基准计数器等于有效计数比较寄存器B值（TBCTR=CMPB）。

3基于F28335的SPWM变频调速控制系统设计

（1）系统硬件电路

系统主电路由交-直-交电压型逆变电路构成，见图1。逆变器驱动电路采用SPWM，IGBT管的驱动电压波形为在正弦调制波半周期内幅值相等、脉宽呈正弦分布的脉冲序列。采用双极性控制方式，SPWM在正负极性之间变化。

图1 系统硬件电路

（2）SPWM控制程序设计

SPWM波由三相参考正弦波ura、urb、urc与高频三角波uc调制产生，根据正弦波与三角波的交点确定逆变器开关器件的通断时刻。

图2三相SPWM波形

在SPWM数字控制变频调速系统中，根据V-f曲线，在恒转矩区间，通过调整M与频率f的关系以满足式（2），即可实现恒压频比控制，提高调速系统性能，式中Uc为三角波幅值。

SPWM的调制方式分为异步调制与同步调制。异步调制通常保持fc固定不变，当fr变化时，N是变化的。同步调制在变频时使载波和参考正弦波信号保持同步，N等于常数，参考正弦波一周期内SPWM脉冲数固定，在三相电路采用同一个三角波载波，且取N 为3的整数倍，以保证逆变器三相输出波形对称。

根据式（1）可知，改变调制比M，可以改变脉冲宽度Ta，进而实现逆变器输出电压的调节。

本程序采用对称规则采样法，EPWMxA中的定时器采用连续增/减计数模式以产生高频三角波。选择3对EPWMxA与EPWMxB（x=1，2，3）的输出分别输入VT1、VT4，VT3、VT6，VT5、VT2，输出波形设置为成对输出，即EPWMxA与EPWMxB输出波形反相，以驱动三相逆变器中IGBT。F28335通过计算式（1），得到下一个三相SPWM的有效脉冲宽度Ta、Tb、Tc，将计算出的三相脉宽比较值存入EPWMxA对应的比较寄存器。当TBCTR=CMPA时，EPWMx输出波形翻转。

在程序设计中，F28335每进入一次定时器1周期中断计算一次Ta、Tb、Tc的值，并分别装载到各自对应的比较寄存器中，即：*CMPR1=Ta、*CMPR2=Tb、*CMPR3=Tc。三相SPWM控制程序流程如图3所示。

图3三相SPWM控制程序流程

SPWM驱动子程序中部分关键语句如下：

signed int cmp_tmp=0；

signed int a_sin=0；

signed int b_sin=0；

index=index&0x01ff；

a_sin=SINTAB［index］；//查表得到sin值

index=（index+0x155）&0x01ff；//查表指针范围（0～511）

b_sin=SINTAB［index］；//查表得到cos值

//以下语句确定cmp0，Tb、Tc

cmp_tmp=（long）a_sin*u_out；

Tb=（long）cmp_tmp*t1per；

cmp_tmp=（long）b_sin*u_out；

Tc=（long）cmp_tmp*t1per；

Ta=（long）t1per*3>>1；

*CMPR1=Ta；

*CMPR2=Tb；

*CMPR3=Tc；

4仿真结果与分析

在CCS V5创建工程，检查语法无误后，借助Tools/Graph工具，通过采集EPWM1A的输出波形缓冲到数组Buffer，在设定为同步调制且载波比为N=150的情况下，观察到图4所示波形，可见其为一系列幅值相等、占空比按正弦规律实时变化的波形，与控制程序实现的功能一致。

图4SPWM波形输出

5结语

本文介绍了一种基于F28335的三相SPWM变压变频调速控制系统，给出了硬件电路与程序设计方法，借助CCS V5仿真环境，创建工程后调试C语言编写的主程序，实现了预期SPWM波形的输出。F28335是一款高性能的工业控制芯片，具有丰富的硬件资源与强大的数据运算能力，尤其它的EPWM模块相对目前应用广泛的F2812事件管理器模块中的PWM输出功能有了很大提高。此外，F28335可直接进行浮点计算，动态范围更大，加之运行速度快，可方便实现实时性要求高、运算量巨大的算法。本文实现的只是三相SPWM输出，在后续工作中，可将F28335应用于多相SPWM或者更复杂调制策略的变频变压调速系统中。

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［5］王兆安，黄俊等.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2005.

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［中图分类号］TP273.05

［文献标识码］A

［文章编号］1671-5004（2016）03-0001-03

［收稿日期］2015-11-10

［基金项目］湖南省教育厅科研项目“基于DSP28335的双三相感应电机变频调速控制装置的研究”（项目编号：13C218）；2015年湖南省普通高等学校中青年骨干教师国内访问学者项目。

［作者简介］谢芳芳（1978-），女，湖南新田人，湖南工业职业技术学院副教授、工学硕士，研究方向：控制理论与控制工程。

The Research of Three-phase SPWM Frequency-converting Techniques Based on TMS320F28335

XIE Fang-fang
（Electric Engineering Department，Hunan Industry Polytechnic，Changsha410208，Hunan）

［Abstract］SPWM technique is a suitable power switch conversion device for high-power high-performance switching modulation strategy，which is commonly used in variable frequency speed adjusting system.TMS320F28335 has strong ability in data processing，and the Envelope Pulse-Width Modulation（EPWM）module is very suitable for generating three-phase SPWM wave. The method of how to take advantage of TMS320F28335 to generate three-phase SPWM wave used in variable frequency speed adjusting system was described，and the hardware circuit and process flow were given，and the system has good expansibility.The method using symmetry regular-sampling has the characteristics of less calculation and strong real-time capability.The software emulating result based on CCS V5/simulator shows the output waveforms of three-phase SPWM correspond to these of the theory.

［Key words］TMS320F28335；three-phase SPWM；frequency-converting techniques；regular sampling method