基于DSP的SPWM优化算法研究
技术创新
中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2008年第24卷第11-2期
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DSP开发与应用
基于DSP的SPWM优化算法研究
The Study of SPWM Optimization Algorithm Based On DSP
（西南交通大学）魏光李群湛
WEI Guang LI Qun-zhan
摘要:介绍了基于DSP的单相全桥逆变器数字控制系统。详细论述了利用数字信号处理器TMS320LF2407产生SPWM波形
和实现双闭环PI控制的算法，并给出了其实现原理及软件流程。针对同相供电系统[1]中UPFC直流侧电压随机波动的特
点，提出了通过动态的调整调制波高度来控制SPWM输出电压波形的方法。仿真结果验证了设计的可行性。
关键词:SPWM;DSP;PI双闭环控制
中图分类号:TP311文献标识码:A
Abstract:The digital control system of single-phase full-bridge is introduced.The arithmetic of SPWM and double closed loop PI,
which is based on the digital signal processor TMS320LF2407,is expatiated on.The principle and software flow chart is given.Tak-
ing account of the fluctuant DC voltage of UPFC in traction power supply system without phase exchange,a dynamic SPWM method
is proposed by changing the amplitude of modulate wave.The feasibility of the design is verified by the simulation result.
Key words:SPWM;DSP;double closed loop PI control
文章编号:1008-0570(2008)11-2-0184-03
引言
随着现代电力电子技术的发展，SPWM技术已成为逆变
器的主流控制方式。模拟控制技术经过多年的发展，已趋成
熟。因其硬件固有的缺点以及不易实现先进的控制策略，制约
了逆变器的发展。随着高速数字信号处理器DSP的问世，数字
控制系统以其高速性、通用型、控制灵活和可实现先进控制算
法等优点，成为了现代电力电子技术发展的主导思想。
电气化铁路实现同相供电方式，统一潮流控制器UPFC是
其关键环节。其直流侧电压随着负载以及控制量的变化而不断
波动，成为逆变器SPWM波形实现的瓶颈。
本文基于TMS320LF2407数字信号处理器，给出了产生
SPWM波形的方法，电压电流双闭环控制策略以及动态调整
SPWM算法的实现提高了输出波形的精确度。
1系统结构
图1所示为单相全桥逆变器数字控制系统框图。逆变器以
TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407为控制核心，采用单
极性SPWM技术，选取IGBT功率模块作为开关器件。
DSP通过片内A/D转换模块实现对输出电压及电感电流
的采样，经过电压电流双闭环PI控制，将反馈信号与给定基准
电压信号进行比较，再与片内定时器产生的三角载波交截，输
出带有死区的控制信号，经功率驱动模块放大，驱动单相逆变
器开关器件输出电压。
2软件设计
2.1单极性SPWM调制原理
图1系统结构
单极性正弦脉宽调制中，正弦波为调制波，三角波为载波，
调制波与载波相交截产生开关器件驱动信号。具体做法是，当
调制波电压高于载波电压时，使开关器件S1导通，输出正的脉
冲电压；当调制波电压低于载波电压时，使开关器件S1关断，
输出电压为零。在调制波负半周中，可用类似的方法控制下桥
臂的S2输出负的脉动电压序列。
2.2SPWM波形的DSP实现
利用DSP中的事件管理模块(EV)可以产生PWM脉冲。DSP
中的三角载波是通过连续增/减计数模式的定时器实现的。将参考
正弦波制成表格，设定好定时器之后，在每个开关周期，程序从参
考正弦波表中获得相应数字量，并将它赋值给全比较寄存器CM－
PRx。定时器从0开始递增计数到周期值TxPR，接着从TxPR递减
计数到0，然后开始下一个周期。定时周期计算如下式
(1)
魏光:硕士研究生
基金项目:电力电子关键器件及重大装备研制
颁发部门:中华人民共和国科学技术部(2007BAA12B05)
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术创新
DSP 开发与应用
《PLC 技术应用200例》
您的论文得到两院院士关注其中，为DSP 时钟频率，为逆变器开关频率。对于高有效PWM 输出端口，当计数值上升到比较值CM －PRx 时，
输出高电平；当计数值下降到比较值CMPRx 时，则输出低电平。
低有效PWM 输出与高有效互补。为了避免逆变桥同一组桥臂的上下开关器件共通，两路互补的PWM 信号必须设置死区时间。通过设定死区时间寄存器(DBTCONx)，TMS320LF2407可以实现至多12us 的死区时间。它实际上是让每一路PWM 信号在上升沿时刻延迟一定的死区时间。
2.3双闭环控制逆变器采用电压、电流瞬时值反馈双闭环控制，其系统框图如图2所示。
图2双闭环控制系统框图
输出反馈电压和给定电压基准信号比较，形成瞬时误差调节信号。经过电压PI 调节器后作为电流给定基准值，与电感电流反馈信号比较，形成瞬时误差信号，经过电流PI 调节器产生电流误差控制信号。该信号与三角载波交截后产生SPWM 开关信号，控制主电路开关器件，在LC 滤波器前端形成SPWM 调制电压，经LC 滤波器后输出正弦电压。
2.4倍频采样
DSP 由于其高速性，在每个载波周期可以对基准正弦信号、反馈采样信号进行两次更新，即定时器下溢和周期匹配时都进入中断服务程序，提高了数据更新的实时性。
2.5算法实现
为使系统能够实时高速的处理数据，软件主要由主程序与
中断程序两部分组成。主程序中，
首先对一些寄存器以及变量进行初始化，随之启动定时器，进入循环等待，如图3(a)所示。
在中断程序中，DSP 主要完成反馈值采样、双闭环PI 控制算法，
SPWM 波形输出等功能，
如图3(b)所示。图3(a)主程序图3(b)中断程序2.6PI 算法实现
如图4所示,在输出有微小变化时，计算所得的PWM 控制信号也随之小幅度振动，使系统不稳定。若设置适当的限值，则可以消除由此引起的振荡，又不会明显影响输出精度。另一方面，PI 控制器中积分环节的目的主要是消除静差、提高精度。但在电压大幅度变化时，短时间系统输出有较大的偏差，会造成PI 运算的积分积累，从而引起较大的超调，导致系统振荡。解决的方法是设置一个阈值。当e(k)>ε时，采取P 控制，避免过大的超调，且响应速度快；当e(k)<ε时，采取PI 控制，保证系统控制精度。图4PI 算法流程
2.7动态SPWM 跟踪U dc 的变化
SPWM 技术的实质是等面积原理，
即逆变器输出的矩形脉冲的面积与所要求输出的正弦基波的面积相等。对于任意一个输出脉冲，其面积等于脉冲的宽度△t 乘以直流侧电压U dc 。当
直流侧电压由U dc 变为后，为使面积保持不变，输出脉冲宽度变为。相当于将从正弦表中查到的调制波瞬时值减去一个高度△h ，再赋值给CMPRx ，如图3(b)所示。
3仿真结果
图5(a)、(b)所示为单相全桥逆变器输出电压波形及其频谱分析。仿真采用直流电压U i =430V ，输出额定交流电压U 0=
220V ，
频率为50HZ ，开关频率为1kHZ 。仿真结果表明，输出电压波形平滑，失真率小，输出电压THD ≤2%，从而证明了以DSP 为控制核心的上述优化算法完全可以达到逆变器的要求。
4结论
本文在单相全桥逆变器SPWM 波形的生成过程中引入了
双闭环PI 控制策略，以及通过实时检测直流侧电压的变化，提出了动态改变SPWM 波形的优化算法。利用DSP 内设丰富，运算速度高的特点，在实际应用中完全可实现。
本文作者创新点是通过对周期寄存器TxPR 、全比较寄存器CMPRx 、死区时间寄存器DBTCONx 的设置产生SPWM 波形；电压电流双闭环PI 控制实现输出波形精确跟踪；倍频采样提高了系统的实时性；PI 算法中引入滞环选择环节，避免误差放大；针对直流侧电压波动加入动态SPWM 调整环节，增强了系统的通用性。
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图5(a)输出SPWM波形
图5(b)输出电压波形及频谱图
参考文献
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的研究.铁道学报，1988(4).
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版社.2006.
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[4]陶永华.新型PID控制及其应用.机械工业出版社.2005.
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工程，2002，19-5：30-34.
[7]张利新，袁红霞.基于DSP的SPWM产生方法.微计算机信
息，2007，08-2：194-195.
[8]支长义，程志平，焦留成.基于DSP的SPWM实现.微计算机
信息，2006，12-2：121-122.
作者简介:魏光（1984.04.26）男，陕西宁强，硕士研究生，主要从
事铁道供电电气化与自动化方向的研究。李群湛（1957）男，河
北元氏，博士，教授，博士生导师，主要从事供电理论、综合补偿
方向的研究。
Biography:WEI Guang,April26th,1984,Male,NingQiang in
ShanXi province,Graduate student,Major in Traction Railway
Electrification and Automation.
（610031四川省成都市西南交通大学电气工程学院）魏光李群湛
（College of Electrical Engineering,Southwest Jiao Tong Uni-
versity,Chengdu,Sichuan,610031,China）WEI Guang
LI Qun-zhan
通讯地址：（610031四川省成都市西南交通大学电气工程学院
390信箱）魏光
(收稿日期:2008.10.05)(修稿日期:2008.10.25)
（上接第２０９页）
实验系统中采用PAL制式的CCD摄像头作为输入，以
VGA显示器作为输出。在实验中，所跟踪的目标由一台机动目
标发生计算机产生，利用CCD摄像头对机动目标进行拍摄，同
时利用该跟踪系统对机动目标进行跟踪，将处理后的视频序列
输出的目标监测器上。如图3所示，如想序列中的机动目标被
一个白色的跟踪窗口所覆盖，白色的跟踪窗口的几何中心即目
标的概率质心，经过长时间的跟踪实验，该跟踪系统能够高效
而准确的捕捉到机动目标，实现了机动目标的自主式实时跟
踪。实验结果表明采用自主式CamShift跟踪算法的基于DPS的
机动目标跟踪系统能够实现对机动目标的稳定跟踪。
本文作者创新点：介绍了一种改进CamShift算法，利用目
标边缘作为搜索特征，实现对机动目标自主式跟踪。在基于
TMS320DM642的跟踪系统平台上实现了该跟踪算法，实验证
明该跟踪系统工作性能稳定，能够有效跟踪机动目标。
参考文献
[1]Yi zong Cheng.MeanShift Mode Seeking,and Clustering.IEEE Tra
nsactionsonPatternsandMachineIntelligence.1995,8(17):790-799.
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[3]刘雪,常发亮,王华杰.基于改进Camshift算法的视频对象跟
踪方法.微计算机信息.2007,23,7-3:297-298
[4]王思为,朱明.基于DM642机器视觉系统的设计与实现.微计
算机信息2006,22,12-2:175-177
[5]TMS320C6000DSP/BIOS Application Programming Interface
(API)Reference Guide Texas Instruments Incorporated.
作者简介:李叶紫，女，副教授，1961年生，北华航天工业学院
电子工程系，现从事自动化教学与研究工作。齐建玲，女，副教
授，1967年生，北华航天工业学院电子工程系。田东兴，男，1981
年生，北华航天工业学院电子工程系。
Biography:LI Ye-zi(1961-),female,vise professor in North
China Institute of Aerospace Engineering,Research interests:
Automatic control.Qi Jianling(1967-),female,vise professor
in North China Institute of Aerospace Engineering.
(065000河北省廊坊市北华航天工业学院电子工程)李叶紫
齐建玲田东兴
通讯地址:(065000河北省廊坊市北华航天工业学院电子工程)
李叶紫
(收稿日期:2008.10.05)(修稿日期:2008.10.25)
书讯
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