用SPMC75實現SVPWM合成
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摘 要：本文主要介紹利用SPMC75單片機產生SVPWM的方法。
關鍵詞：SPMC75、SVPWM、SPWM
1.1 前言
隨著計算機技術和電力電子技術的發展，變頻驅動技術憑借其優異的性能，在當今交流調速領域的應用越來越廣。
變頻驅動主要使用的驅動波形主要有SPWM和SVPWM兩種。SPWM原理簡單、實現容易，是現在使用最廣的一種變頻驅動波形。但其有一個致命的弱點是其電源利用率不高（只有86%）、諧波成分大。因此，在新近開發的產品中其應用逐漸被性能優異的SVPWM所取代。
SVPWM是一種電壓利用率、低諧波成分的變頻驅動波形，還有開關次數少、功率管功耗小等特點。同時，SVPWM還能很好的結合矢量控制算法、以最大限度的發揮設備的性能。因此被越來越多的變頻設備所采用。
1.2 芯片簡介
SPMC75系列MCU是凌陽科技公司設計開發的高性能16位通用MCU，具有很強的抗干擾能力、豐富易用的資源以及優良的結構，特別是增強的定時計數器和PWM輸出功能。
SPMC75系列MCU使用凌陽u'nSP內核，u'nSP內核是一種高效的16位CISC內核。支持乘法、乘法累加、32/16位除法、FIR等高性能運算；支持兩種中斷模式。可以方便的產生SPWM波、空間電壓向量PWM（SVPWM）等各種電機驅動波形。
除了擁有高性能的CPU外，SPMC75系列MCU還集成了多種功能模塊：多功能I/O口、同步和異步串行口、高性能ADC、普通的定時計數器、多功能的捕獲比較模塊、BLDC電機驅動專用位置偵測接口、兩相增量編碼器接口、能產生各種電機驅動波形的PWM發生器等。同時，SPMC75系列單片機內部集成了32K Words的Flash和2K Words的SRAM。
利用這些硬設支持，SPMC75系列單片機可以完成諸如家用電變頻驅動、標準的工業變頻驅動器、多環的伺服驅動系統等復雜應用。
1.3 SVPWM合成原理
如圖 1-1所示的三相逆變橋中六個開關管有8種允許的開關組合，其中有6種有效的開關組合，稱為非零基本空間電壓矢量；有2種為無效開關狀態，稱為零空間電壓矢量。當逆變器單獨輸出六種基本電壓空間矢量時，電動機的定子磁鏈矢量 的矢端的運動軌跡是一個正六邊形，如圖 1-2所示。
圖 1-1 電壓空間矢量和三相電壓型逆變電路
圖 1-2 正六邊形磁鏈軌跡
顯然，按照這樣的供電方式只能形成正六邊形的旋轉磁場，而不是我們希望的圓形旋轉磁場。
怎樣獲得圓形旋轉磁場？一個思路是，如果在定子里形成的旋轉磁場不是正六邊形，而是正多邊形，我們就可以得到近似的圓形旋轉磁場。顯然，正多邊形的邊數越多，近似的程度就越多。但是非零的基本電壓空間矢量只有六個，如果相獲得盡可能多的多邊形旋轉磁場，就必須有更多的逆變器開關狀態。下面介紹這種線性時間組合方法。
圖 1-3 電壓空間矢量的線性組合
為了使磁鏈的運動速度平滑，零矢量一般都不是集中地加入，而是將零矢量平均分成幾份，多點地插入到磁鏈軌跡中，但作用的時間和仍為t0，這樣可以減少電動機轉矩的脈動。
圖 1-4 Ｕout的最大軌跡圓
經上述合成方法，最終將得到如圖 1-5所示的七段式電壓空間矢量PWM波形。
圖 1-5 七段式電壓空間矢量PWM波形
1.4 SVPWM在SPMC75上的實現
SPMC75系列MCU內部集成的MCP定時器可以方便的產生SVPWM，圖 1-6所示是用SPMC75實現SVPWM合成的結構框圖。系統包括PWM發生模塊、空間向量變換等幾部分。
圖中的PWM發生器使用SPMC75的MCP定時器實現，MCP定時器內部具有多組比較匹配硬件，系統軟件只需要將算出的三個SVPWM合成所需的定時時間值送入相應的比較匹配寄存器就可。MCP可以自動輸出所需的三相六路的互補SVPWM；同時，MCP內部集成死區插入硬件和系統保護邏輯，以最大限度減小用戶開發難度。
空間向量變換部分主要實現向量變換、扇區計算和矢量時間計算幾種功能，這部分使用軟件方式實現。其計算出的時間直接送到PWM發生器就可以輸出所需的PWM波形。框圖中的其它部分也使用軟件實現。
SPMC75所使用的u'nSP內核內部集成有硬件乘法器，擁有專用的乘法累加操作指令。對整個SVPWM的合成提供了極大的幫助。在24MHz系統時鐘時，實現整個SVPWM合成算法只需要21us的運算時間。
圖 1-6 SVPWM合成框圖
1.5 結語
凌陽科技公司新推出SPMC75是一系列功能強大的工業級MCU，具有極強的抗干擾能力。其內部集成有高性能的ADC、增強型的定時計數器等功能部件，強大的定時器和PWM生成功能使其在電機控制領域有非常杰出的表現。用SPMC75系列MCU可以方便的構成各種電機的高性能驅動系統。
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