基于DSP 的变频调速SPWM控制实现

胡永胜，周向阳，刘宇琦

(中航工业动力控制系统研究所，江苏 无锡　214063)



基于DSP 的变频调速SPWM控制实现

胡永胜，周向阳，刘宇琦

(中航工业动力控制系统研究所，江苏 无锡214063)

由于正弦波脉宽调制(SPWM)技术动态特性好,能明显地提高电动机的效率,因此在电机控制中得到了广泛的应用；介绍了以数字信号处理器SM320LF2407A 为核心的温度闭环控制系统,采用SPWM技术实现了变压控制，可实现对某型航空发动机涡轮前温度的限制；试验结果表明,采用SPWM 技术的温度闭环控制系统具有实现简单、性能优良和安全可靠的特点。

DSP；SPWM；FADEC

0　引言

与以往的机械液压控制系统和模拟电路控制系统相比，数字控制系统具有更加灵活、控制精确、抗干扰能力更强、设备尺寸更小、性能稳定和易于维护等特点[1-2]。针对前期某模拟式温度控制放大器在与执行机构进行协同工作时，出现温度限制失效、故障无法定位、故障率高等问题，严重影响飞机的出勤率[3]，故启动数字式温度控制放大器的研发工作，目标是可实现对模拟式温度控制放大器的互换，并且还要具备故障定位、故障重构、数据存储等[4]能力。文中主要描述某数字温度控制放大器如何利用DSP实现SPWM波，并调制成正弦波控制信号，进而控制燃调通道伺服电机，以此来调节燃油流量，实现对某型发动机涡轮排气温度T6和高压压气机出口温度T3限制。

1　SM320LF2407A简介

SM320LF2407A是TI公司的DSP芯片，晶振频率可达到10 MHz。该芯片集成了存储单元、两个可独立使用的事件管理器模块、16通道10位A/D转换器、SCI串行通讯接口及SPI串行通讯口等[5-6]。

两个事件管理器模块功能相同，每个事件管理器包含两个16位通用定时器，可实现独立配置和关联配置，实现同步定时和频率设定；包括8个16位的脉冲宽度调制(PWM)通道，可以根据用户设定，实现PWM的对称和非对称波形；3个输入捕获单元，可实现对频率量信号的采集。

该数字温度控制放大器通过DSP的PWM3和PWM4输出引脚，来控制燃调通道的高边控制信号和低边控制信号，通过数字硬件驱动模块调制成正弦波控制信号，以此来控制伺服电机。通过SPI串行通讯口外接一片ST公司的SPI接口的串行FLASH芯片M25P16，容量为16 Mbit，用于历史数据存储和可调整参数存储。

2　SPWM工作原理和生成SPWM波算法

本文描述SPWM的实现原理。采用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较[7-8]，如图1所示，以三角波波峰和波谷为对称点绘制对称轴，对称轴将与正弦波相交，在相交点沿时间轴正向画平行于时间轴的线，并再次与三角波相交，三角波上升沿相交点作为SPWM波上升沿，三角波下降沿相交点作为SPWM波下降沿，则可反推形成一组SPWM波形。我们将这组等腰三角形的波称为载波，正弦波则称为调制波。通过软件计算SPWM波形占空比，按一定频率输出，经过调制电路，即可形成如图的模拟正弦波信号。根据计算结果调整SPWM占空比和输出频率，即可实现对正弦波的频率和幅值控制。通过调整SPWM频率就改变正弦波的频率，就可以改变输出电源的频率，从而改变电机的转速；通过调整SPWM占空比改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点，是输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变了输出电压。本文描述数字式温度控制放大器只通过调整正弦波的幅值来调整电机的输出力矩，进而有效地控制伺服电机。

图1　SPWM波生成方法

产生SPWM信号的方法可分为硬件法和软硬件综合法两种[9-10]。硬件法通过专门的集成电路设计，可以实现纯硬件调制电路，转换速度快，无实时性考虑。软硬件综合法是综合硬件和软件各自的优势，实现成本最低、设计灵活、便于维护和升级的调制方法，它通过实时计算来生产SPWM波，但是实时计算对控制器的运算速度要求非常高。DSP是高度集成的可实现软件结合的数字芯片，能够满足本课题的需求。用DSP实时计算SPWM的方法有很多种，下面仅介绍该数字式温度控制放大器中使用的不对称规则采样法。

图2是正弦波和三角波所生成的SPWM 波之间的对应关系图，图中是三角波峰值，是三角波周期，正弦波与三角波的对称轴产生一个交点，做平行于时间轴的平行线，平行线与相邻三角波会有一个交点，交点处则为SPWM电平翻转点。每个三角波两腰都会有一次翻转SPWM电平，t1和t2分别是这两次翻转时刻，它们决定SPWM波上的“高”、“低”电平时间分别为toff1、ton1、ton2和toff2。

图2　不对称规则采样法生产SPWM波

由图2可得，当在三角波的顶点对称轴位置t1时刻，则有：

(1)

(2)

当在三角波的底点对称轴位置t2时刻，则有：

(3)

(4)

根据三角形相似原理，可得：

(5)

(6)

(7)

(8)

ω是正弦波的角频率，其对应的周期在本数字式温度控制放大器中等于电源频率400 Hz(周期则为2.5 ms)。

令三角波频率fc与正弦波频率f之比为载波比N，因此：

(9)

由于每个载波周期采样2次，所以：

(10)

(11)

式中,k为采样序号，由(9)、(10)、(11)式，可得：

代入(5)～(8)式中，则有

(12)

(13)

式中，M=UM/US及正弦波峰值与三角波峰值之比，M称为调制度。M值的取值范围为0～1；M值越大，输出的SPWM电压越高。该不对称规则采样法既在三角波的顶点对称轴位置采样，又在底点对称轴位置采样，也就是每个载波周期采样两次，这样所形成的阶梯波与正弦波的逼近程度会大大提高，所以谐波分量的幅值更小，更有利于电机控制。

由于2407芯片不提供内嵌的正弦函数插值表，因此需要通过自建正弦插值表或者实时运算的方法来计算正弦值。该数字式温度控制放大器是通过编写专用的汇编语言，通过实时运算的方法来实现对正弦值计算的，根据(12)、(13)式，经过泰勒级数展开，考虑精度要求，截去3 阶以上部分。编写的汇编语言如下：

asm(" MAR *,AR2");

asm(" LAR AR2,#1h");

asm(" MAR *0+");

asm(" SBRK #4h");//(ARP=AR1-4) ->uAngle

asm(" SQRS *");

asm(" LACC #680h,0");// load 1664 to ACC

asm(" ADRK #5h");// (AR1+1) = 1664

asm(" SACL *+");

asm(" LACC #1110h,15");

asm(" SPM #1h");//PM = 0x01,left move 1

asm(" SPH *");

asm(" LT *-");// load uAngle_2 to T

asm(" MPY *");

asm(" SPM #0h");//PM = 0x00

asm(" SPAC");

asm(" ADRK #2h");

asm(" SACH *,1");

asm(" LACC #1555h,15");

asm(" MPY *+");

asm(" SPAC");

asm(" SACH *,1");

asm(" MPY *+");

asm(" LACC #7FFh,15");

asm(" SPAC");

asm(" SACH *,4");

asm(" SBRK 9");// (ARP = AR0-5) = uAngle

asm(" LT *");// Load uAngle to T

asm(" ADRK 9");//(ARP = AR1+5) = Temp3

asm(" MPY *+");asm(" SPM #2h");

asm(" SPH *");

asm(" SBRK 11");// load T1Per to (T)

asm(" LT *"); // (ARP) = T1Per

asm(" ADRK 11"); // (ARP) = sin

asm(" MPY *+");

asm(" SPM #1h");

asm(" SPH *");// (ARP) = sin*T1Per

asm(" CLRC C");

asm(" LACC *,0"); // Get sin value

asm(" SPM #0h");

asm(" MAR *,AR1");

3　伺服电机驱动电路设计

伺服电机控制信号驱动电路的作用是产生不大于26 VAC的400 Hz正弦信号给防喘通道伺服电机控制绕组。该电路由高边电源(+15 V)电路、高边控制驱动电路、低边电源(+15 V)电路和低边控制驱动电路组成。

PWM3的占空比按400 Hz正弦波正半周的变化规律而变化，在正弦波的负半周时则一直保持为低电平，因此高边驱动电路的输出信号是一个正半周的正弦波信号，低边驱动控制电路原理类似，输出为负半周的正弦波信号，高边和低边驱动电路输出叠加成一个完整的400 Hz的正弦波信号,其有效值不大于26 V。该电路的输出信号直接提供给伺服电机控制绕组。伺服电机的励磁信号保持与400 Hz的电源同步。

4　SPWM控制实现

该数字式温度控制放大器控制原理如图3所示，设定的基准T6std和T3std和当前采集的发动机涡轮排气温度T6 和高压压气机出口温度T3 构成外部闭环，通过二阶环节计算获得电机转速给定，对两个回路的计算结果进行低选，使先达到超限值的限制回路起作用。通过频率采集电路获得测速电机转速，与外环计算得到的转速给定形成内部闭环，实现对燃调通道伺服电机的串行闭环控制，通过计算获得调制度，根据值可进行SPWM调制，最终驱动伺服电机动作，调整供油限制线，实现对温度的限制。

图3　温度限制控制原理图

依据伺服电机的工作原理，控制信号与激励信号成正交情况下，可获得效率最高的力矩，在此课题中，采用图4的设计流程图可实现对相位超前、滞后的判断。

在本课题中，控制周期为2.5 ms，SPWM的占空比输出周期为50，因此每个控制周期根据M值计算出50个分段占空比值给逆变电路，可实现SPWM的调制信号输出，已达到控制伺服电机的目的。电源频率与伺服电机激励信号频率同步，因此本课题采用实时跟踪电源频率的方式获得激励频率，在计算出M值后：

1)根据M值的符号，利用获得的激励频率相位，确定控制信号与激励信号的相位差；

2)根据M值幅值，结合相位差，计算SPWM相位步长DeltDeg；

3)根据相位步长DeltDeg来更新每50需输出的占空比。

图4　相位判断流程图

该数字式温度控制放大器通过与发动机的台架试车，T6的限制如图5所示，T6_Std设定的值为670℃，T3_Std设定的值为541℃，发动机在完成起动后，上推状态，使T6持续上升，当接近限制值时，限制回路参与控制，此时T3并未达到541℃的限制值。从图中数据M值可看出发生了变化，n_CASC也反映出伺服电机的快速调整，经过限制之后，T6被限制在T6_Std，实现了对发动机的T6温度限制。

图5　T6限制控制曲线

T3的限制如图6所示，T6_Std设定的值为720℃，T3_Std设定的值为541℃，发动机在完成起动后，上推状态，使T3持续上升，当接近限制值时，限制回路参与控制，此时T6并未达到720℃的限制值。从图中数据M值可看出发生了变化，n_CASC也反映出伺服电机的快速调整，经过限制之后，T3被限制在T3_Std，实现了对发动机的T3温度限制。

图6　T3限制控制曲线

从图5和图6可以看出，采用T3和T6回路低选，可以有效的保证先达到限制值的信号优先被选择参与限制控制。而且数据也可以直观的反映出限制及时，通过测量响应速度和稳定性，可以很好的满足发动机对温控器提出的温度限制的性能需求。

5　结束语

数字式温度控制放大器具备模拟式不可跨越的优势。它简化了电路设计，在减轻重量的同时也提高了硬件可靠性；通过软件能够快速的控制方案，可以灵活的增加控制补偿和修正；实时计算的SPWM波形可以有效的减小谐波分量，提高马达的输出力矩，能有效的防止伺服电机卡死；通过保存在Flash芯片中的历史数据，可以对发动机以及数字式温度控制放大器运行状态进行的事后分析。通过对模拟式温度控制放大器的性能对比、发动机试验台试验、装机试验等各环节验证，证明数字式温度控制放大器功能、性能均优于模拟式温度控制放大器，现已能交付用户使用。

[1] 樊思齐.航空推进系统控制[M].西安：西北工业大学出版社，1995.

[2] 孙健国.现代航空动力装置控制[M].北京：航空工业出版社，2001.

[3] 林克.C.周,杰克.D.马廷林.飞机发动机控制设计、系统分析和健康监控[M].张新国,等译. 北京：航空工业出版社，2012.

[4] 罗蕾. 嵌入式实时操作系统及应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[5] TI Company. TMS320F/C24XDSP controlle-rsreference guide CPU and instruction set[Z]. 1999.

[6] 王晓明,王玲. 电动机的DSP控制——TI公司DSP应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[7] 翟红存.基于DSP的SPWM变频调速系统的实现[J].机械与电子，2005(11).

[8] 毛惠丰.基于数字自然采样法的SPWM波形生成研究[J].北京：电力电子技术,2003.

[9] 张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京：机械工业出版社，1997.

[10] 侯小华.基于FPGA的高精度数字化正弦信号生成的新方法[J].计算机测量与控制，2007(6)：824-826.

Realization of Variable-Frequency Speed Variation SPWM Controlling Based on DSP

Hu Yongsheng，Zhou Xiangyang，Liu Yuqi

(Avic Aviation Motor Control System Institute,Wuxi214063,China)

The technique of Sine Pulse Width Modulation (SPWM) which has fine dynamic characteristic can increase the motor efficiency obviously,so it has been used in the motor control widely. A closed-loop temperature control system based on the Digital Signal Processor (DSP) SM320LF2407A is introduced in this paper,and the variable voltage control strategy has been implemented with SPWM. The results on the tests show that the temperature control system with SPWM has many merits such as simple realization,good running performance and safety.

DSP; SPWM; FADEC

1671-4598(2016)04-0061-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.019

TP273

A

2015-07-04；

2015-11-22。

胡永胜(1979-)，男，安徽绩溪人，硕士，主要从事航空发动机控制系统方向的研究。