SVPWM: заполнение одного канала

Введение

При синусоидальной модуляции фазные заполнения получаются непосредственно из трёх синусоид. В SVPWM к ним можно добавить общий сигнал, не меняющий разностей между фазами. Это позволяет по-другому распределить интервалы переключения и использование диапазона заполнения.

В проекте вычислим такую общую добавку методом min–max и рассмотрим заполнение одной фазы. Для расчёта понадобятся три опоры со сдвигом 120°, а аппаратный результат выведем на один канал PA4. Так удобно изучить форму управляющего сигнала до перехода к многоплечевой силовой схеме.

Постановка задачи и исходные данные

Для фазных опор примем частоту 50 Гц и единичную амплитуду. Фаза A начинается с нуля, B отстаёт на 120°, C опережает на 120°. Несущая аппаратного выхода PA4 равна 20 кГц. Сначала сравним синусоидальную опору и общую добавку, затем посмотрим, какой закон заполнения получается после их сложения.

Для воспроизведения откройте эту папку в Engee. Расчётная модель находится в NIIET05_svpwm_sim.engee, версия для платы – в NIIET05_svpwm_target.engee. Кодовые ячейки ниже выполняются последовательно; путь к моделям определяется каталогом самого скрипта.

Алгоритм

Метод общей min–max добавки является несущей реализацией SVPWM. Опоры нормированы на единицу; ограничение заполнения не достигается при этих настройках.

При данной нормировке диапазон d_A примерно 6,7…93,3%. Общая добавка содержит третью гармонику, но разности a+z-(b+z)=a-b сохраняются. Выход B и C физически не выводятся.

Рисунок 1. Алгоритм работы устройства.

Построение модели в Engee

Три Sine Wave задают опоры: Frequency = 2π·50, Amplitude = 1, SampleTime = 0.0001. Их Phase равны 0, −2π/3 и +2π/3. Понадобятся все три значения, хотя в этом опыте наружу выводится только фаза A.

В MaxABC и MinABC выбираем функции max и min и задаём Inputs = 3. После сложения экстремумов Gain с коэффициентом −0.5 формирует общую добавку z. Затем Modulated_A складывает a и z.

Gain с 50 и Bias с 50 переводят результат в проценты. После ограничения 0…100 и перевода в UInt32 заполнение поступает на PWM. Расчётная модель дополнительно показывает импульсы несущей, чтобы сопоставить изменение z с длительностью высокого уровня.

Рисунок 2. Расчётная модель `NIIET05_svpwm_sim`.

Запуск расчёта

Теперь запустим сохранённую модель. Первая ячейка открывает её и задаёт исходные параметры примера, чтобы значения в коде можно было сопоставить с настройками блоков. После engee.run станут доступны временные ряды измеряемых сигналов.

using Plots
demo_dir = @__DIR__
model_name = "NIIET05_svpwm_sim"
if !any(m -> string(m.name) == model_name, engee.get_all_models())
    engee.load(joinpath(demo_dir, model_name * ".engee"))
end
engee.open(model_name)
f_signal = 50.0
f_pwm = 20_000.0
for phase in ["A", "B", "C"]
    engee.set_param!(model_name * "/Ref_" * phase,
        "Frequency" => "2*pi*$(f_signal)")
end
engee.set_param!(model_name * "/CarrierFrequency", "Gain" => string(f_pwm))
engee.run(model_name)

SimulationResult(
    run_id => 1,
    "PWM_A.1" => WorkspaceArray{UInt8}("NIIET05_svpwm_sim/PWM_A.1")

)

Считаем результаты моделирования. Каждый временной ряд содержит время и значение сигнала.

measurements = Dict(
    "Offset" => collect(NIIET05_svpwm_sim_Offset),
    "DutyA" => collect(NIIET05_svpwm_sim_DutyA),
    "PWMA" => collect(NIIET05_svpwm_sim_PWMA),
    "ReferenceA" => collect(NIIET05_svpwm_sim_ReferenceA)
)
nothing

Разбор результатов

На первом графике сопоставим опору с заполнением и общей min–max добавкой.

reference = measurements["ReferenceA"]
offset = measurements["Offset"]
duty = measurements["DutyA"]
p_ref = plot(reference.time, reference.value; ylabel="Опора A", label=false)
p_z = plot(offset.time, offset.value; ylabel="Добавка z", label=false)
p_duty = plot(duty.time, duty.value;
    xlabel="Время, с", ylabel="Заполнение A, %", label=false)
niiet_overview = plot(p_ref, p_z, p_duty; layout=(3,1), size=(1100,850), margin=6Plots.mm)

Рисунок 3. Управляющие сигналы и заполнение ШИМ.

Общая добавка меняется в пределах примерно −0,25…0,25. Вместо чистой синусоиды получается характерная форма SVPWM-заполнения. В расчёте минимум dA составил 6,701%, максимум – 93,299%. Разница с округлёнными теоретическими границами определяется временной сеткой 100 мкс.

Смысл общей добавки становится виден при вычитании фаз: z сокращается, и разность остаётся равной a − b. Поэтому изменение фазных заполнений не означает изменения заданной разности опор. Один канал PA4 позволяет наблюдать сам закон заполнения; трёхфазная силовая схема потребует соответствующих выходов остальных плеч.

Рассмотрим 0,5 мс импульсов. На этом коротком окне хорошо различим период несущей 50 мкс. На физическом выходе такие импульсы формирует PWM-периферия микроконтроллера.

panels = []
for phase in ["A"]
    pwm = measurements["PWM" * phase]
    window = 0.001 .<= pwm.time .<= 0.0015
    push!(panels, plot(pwm.time[window], pwm.value[window];
        ylabel="PWM " * phase, label=false, seriestype=:steppost))
end
plot!(panels[end]; xlabel="Время, с")
niiet_detail = plot(panels...; layout=(1,1), size=(1100,400), margin=6Plots.mm)

Рисунок 4. Импульсы расчётной ШИМ на увеличенном участке.

Перенос на НИИЭТ

После моделирования перейдём к плате K1921VG1T. В таргетной версии заполнение в процентах поступает в аппаратную PWM-периферию. Математическая часть определяет те же состояния и переходы, которые мы только что рассмотрели на графиках.

Таблица 1. Параметры моделей.

Параметр	Расчёт в Engee	Выполнение на плате
Решатель	Euler, фиксированный шаг	Euler, фиксированный шаг
Шаг	5 мкс	100 мкс
Начало	0 с	0 с
Конец	0.06 с	600 с

Таблица 2. Подключение сигналов платы.

Сигнал	Вывод микроконтроллера	Назначение
PWM A	PA4	Заполнение фазы A, 20 кГц

В PWM укажем m_port = A, m_pin = 4, m_freq = 20000. Вход duty_percent принимает UInt32: 0 означает 0%, 100 – 100%. Частоту несущей формирует периферия, а модель обновляет заполнение каждые 100 мкс. Номера PA/PB/PC обозначают выводы микроконтроллера. Их расположение на разъёмах следует найти в схеме своей ревизии платы. Для измерения PWM осциллограф подключают между сигнальным выводом и общей землёй.

Перед сборкой настроим EDM-Target-NIIETK1921VG1T. Путь к тулчейну должен указывать на установленную инфраструктуру компьютера стенда. Настройки запуска приведены отдельно, в таблице 3.

Таблица 3. Параметры EDM-Target.

Поле	Значение
Таргет	`Niietk1921vg1t`
`toolchain_root`	`D:\DEMO\NIIET\niietk1291vg1t_infrastructure`
`programmer_type`	`jlink`
`toolchain_via`	`auto`
`code_gen_path`	`.`
`com_port`	`COM10`

Для прошивки подключим J-Link и установим соединение с платой в Engee.Интеграциях. Пример запускается независимо от обмена измеренными сигналами с компьютером. Время выполнения таргетной модели задано как StopTime = 600 с; его можно увеличить перед новой сборкой.

Рисунок 5. Таргетная модель `NIIET05_svpwm_target`.

В следующей ячейке показана вся последовательность аппаратного запуска: открытие модели, выбор K1921VG1T, генерация кода, сборка, прошивка и старт. Для выполнения на подключённой плате установите PROGRAM_TARGET = true. При обычном повторном расчёте графиков оставьте значение false.

PROGRAM_TARGET = false
if PROGRAM_TARGET
    target_name = "NIIET05_svpwm_target"
    if !any(m -> string(m.name) == target_name, engee.get_all_models())
        engee.load(joinpath(demo_dir, target_name * ".engee"))
    end
    engee.open(target_name)
    model = engee.gcm()
    target = Main.EngeeDeviceManager.Targets.NIIETK1921VG1T.Niietk1921vg1t()
    Main.EngeeDeviceManager.Targets.generate_executable_code(target, model, false)
    Main.EngeeDeviceManager.Targets.compile_model(target, model)
    Main.EngeeDeviceManager.Targets.upload_model(target, model)
    Main.EngeeDeviceManager.Targets.start_model(target, model, false)
end

Для сравнения с расчётом наблюдайте PA4 осциллографом. На короткой развёртке видна несущая 20 кГц; для оценки огибающей заполнения нужен интервал не менее 20 мс. Приведённые графики получены при моделировании в Engee; результаты измерений физических выходов можно сопоставить с ними в том же масштабе времени.

Выводы

SVPWM-заполнение можно получить через общую min–max добавку. По сравнению с чистой синусоидой меняется форма фазного заполнения, но разности фазных опор сохраняются. Пример одного канала позволяет подробно рассмотреть этот эффект на графиках и на выходе PA4.

НИИЭТ К1921ВГ1Т : Пространственно-векторная ШИМ