用于纺机变频器的实时正弦值计算产生SPWM的方法

摘要

本发明涉及一种用于纺机变频器的实时正弦值计算产生SPWM的方法。变频器中要产生正弦脉宽调制波来控制电机，传统方法采用正弦表查表完成，需要用到比较大的芯片FLASH空间，如果正弦值要求精度比较高，或频率变化比较大的话，所需空间会以几何倍的方式增长。本方法结合查表法和泰勒公式展开法，实时计算并产生正弦脉宽调制波，正弦脉宽调制波是以正弦波为原始信号，叠加4k-16k频率的三角波载波调制生成。得到正弦波的角度后，首先将其映射到第一象限，并采用其最临近的整数角度正弦值，结合泰勒级数展开进行插值，采用定点运算即可快速完成任意角度正弦值的计算，具有速度快、精度高、占用存储空间少的优点。

说明书

技术领域

本专利属于变频器技术领域，具体涉及到一种用于纺机变频器的实时正弦值计算产生SPWM的方法。

背景技术

对于交流电机控制来说，不论是最简单的恒压频比控制，还是更先进的矢量控制或者是直接转矩控制，都要涉及到正弦值的计算。正弦值的计算是控制部分最基本的核心内容，如何简单、快速、高精度地得到正弦值对系统的性能至关重要。传统用的查表方法的确可以节省很多单片机的运算时间，但是，非常庞大的数组消耗了单片机里面非常宝贵的FLASH资源，同时精度也不会很高，而且无法得知任意角度的正弦值，只能通过间隔几个点的方式来进行搜索表格得知正弦值。如今，单片机的运算能力已经非常强大了，尤其是基于ARM内核的单片机，完全可以胜任实时运算产生定点正弦值的任务。将算出来的正弦值形成的正弦波作为原始信号，用定时器生成的三角波作为载波，然后将两个信号进行调制，就是正弦脉宽调制波（SPWM）。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种用于纺机变频器的实时正弦值计算产生SPWM的方法。

一种用于纺机变频器的实时正弦值计算产生SPWM的方法包括以下步骤：

步骤(1)：依据所要输出的SPWM波的频率f_o ,得到作为原始信号的正弦波的频率f_i ，f_i=f_o 。

步骤(2)：依据三角波的载波频率f_s，得到一个正弦波周期有n个采样点，n=f_s/f_i , 可以得到两个采样点之间的间隔角度Δθ，Δθ=360°/n。

步骤(3)：每计算完一个采样点，正弦波的输入角度θ每次都累加Δθ，0°≤θ<360°；

步骤(4)：计算所有整数角度γ=0°，1°，2°,……，90°时sin(γ)的Q15格式定点数表示值：int(32768·sin(γ))，其中int(·)表示取结果的整数部分，Q15格式的定点数32768等价于Q0格式的小数1.0；将它们保存到表格T[γ]中；

步骤(5)：获得输入角度为θ的Q15格式定点数表示值，其整数部分为   I_θ=int(θ),小数部分的Q15格式定点数表示为 f_θ=int(32768·(θ-I_θ));

步骤(6)：根据正弦函数性质sin(180°+θ)=-sin(θ),将大于180°的正弦计算转化为0°～180°范围内的正弦计算，即进行如下操作：

    ①若I_θ>180，令s=-1，I_θ=I_θ-180，f_θ不变；

     ②若I_θ≤180，令s=1，I_θ不变，f_θ不变；

步骤(7)：根据正弦函数性质sin(180°-θ)=sin(θ)，将大于90°小于180°的正弦计算进一步转化为0°～90°范围内的正弦计算进行，即进行如下操作：

    ①若I_θ>90，令I_θ=179-I_θ，f_θ=32768- f_θ；

    ②若I_θ≤90，则I_θ和f_θ均保持不变；

步骤(8)：根据上述转换后，根据角度θ的小数部分的Q0值，从表格T[γ]查找最近整数角度插值点I_θ：

    ①若Q0值的绝对值大于0.5°，即其对应的Q15格式定点数满足16384<f_θ<49152，则令I_θ=I_θ+1，并同时修改f_θ=65535- f_θ；

    ②若上述条件不满足，则I_θ和f_θ保持不变；

步骤(9)：查找整数角度正弦表T[γ]，令s_n=T(I_θ)，c_n= T(90°-I_θ)，s_n为通过查表得到的整数角度为I_θ的Q15格式正弦值，c_n为通过查表得到的整数角度为90°-I_θ的Q15格式正弦值；

步骤(10)：由泰勒展开，根据角度θ的小数部分的Q0值是否大于0，进行如下计算：

①            若Q0值大于0，即对应的Q15格式定点数满足f_θ≤32768，则令

                dx=int(f_θ·π/180)

并计算

       A₁=s_n+int( c_n ·dx/32768)-int(s_n·dx·dx/2/32768/32768))；

②            若Q0值小于0，即对应的Q15格式定点数满足f_θ>32768，则令

            f_θ=f_θ-32768，dx=int(f_θ·π/180)

并计算

      A₂=s_n-int( c_n ·dx/32768)-int(s_n· dx·dx/2/32768/32768))；

步骤(11)：根据上述两种情况，获得定点计算下sin(θ)的结果：

                  sin(θ)₁=s·A₁/32768     或者

                  sin(θ)₂=s·A₂/32768。

步骤(12)： 用计算得到的正弦值形成正弦波和定时器生成的三角波，两个相调制，最终生成精度较高的SPWM波。

所述的Q15格式是将一个小数放大2¹⁵后，用放大后的整数来表示小数，Q0格式是表示未经处理的数。

有益效果：本发明采用Q格式的形式进行定点运算，计算简单高效，占用存储空间少，可以满足变频器中正弦值的快速高精度计算。由于正弦值的精度提高，运算时间减少，产生的SPWM波精度有较高的提高，可以有效减小变频器输出的失真率，对电机的控制效果有了很大的提升，减小了电机的抖动和损耗。

具体实施方式

一种用于纺机变频器的实时正弦值计算产生SPWM的方法包括以下步骤：

步骤(1)：依据所要输出的SPWM波的频率f_o ,得到作为原始信号的正弦波的频率f_i ，f_i=f_o 。

步骤(2)：依据三角波的载波频率f_s，得到一个正弦波周期有n个采样点，n=f_s/f_i , 可以得到两个采样点之间的间隔角度Δθ，Δθ=360°/n。

步骤(3)：每计算完一个采样点，正弦波的输入角度θ每次都累加Δθ，0°≤θ<360°；

步骤(4)：计算所有整数角度γ=0°，1°，2°,……，90°时sin(γ)的Q15格式定点数表示值：int(32768·sin(γ))，其中int(·)表示取结果的整数部分，Q15格式的定点数32768等价于Q0格式的小数1.0；将它们保存到表格T[γ]中；

步骤(5)：获得输入角度为θ的Q15格式定点数表示值，其整数部分为   I_θ=int(θ),小数部分的Q15格式定点数表示为 f_θ=int(32768·(θ-I_θ));

步骤(6)：根据正弦函数性质sin(180°+θ)=-sin(θ),将大于180°的正弦计算转化为0°～180°范围内的正弦计算，即进行如下操作：

    ①若I_θ>180，令s=-1，I_θ=I_θ-180，f_θ不变；

    ②若I_θ≤180，令s=1，I_θ不变，f_θ不变；

步骤(7)：根据正弦函数性质sin(180°-θ)=sin(θ)，将大于90°小于180°的正弦计算进一步转化为0°～90°范围内的正弦计算进行，即进行如下操作：

    ①若I_θ>90，令I_θ=179-I_θ，f_θ=32768- f_θ；

    ②若I_θ≤90，则I_θ和f_θ均保持不变；

步骤(8)：根据上述转换后，根据角度θ的小数部分的Q0值，从表格T[γ]查找最近整数角度插值点I_θ：

    ①若Q0值的绝对值大于0.5°，即其对应的Q15格式定点数满足  16384<f_θ<49152，则令I_θ=I_θ+1，并同时修改f_θ=65535- f_θ；

    ②若上述条件不满足，则I_θ和f_θ保持不变；

步骤(9)：查找整数角度正弦表T[γ]，令s_n=T(I_θ)，c_n= T(90°-I_θ)，s_n为通过查表得到的整数角度为I_θ的Q15格式正弦值，c_n为通过查表得到的整数角度为90°-I_θ的Q15格式正弦值；

步骤(10)：由泰勒展开，根据角度θ的小数部分的Q0值是否大于0，进行如下计算：

③            若Q0值大于0，即对应的Q15格式定点数满足f_θ≤32768，则令

                dx=int(f_θ·π/180)

并计算

       A₁=s_n+int( c_n ·dx/32768)-int(s_n·dx·dx/2/32768/32768))；

④             若Q0值小于0，即对应的Q15格式定点数满足f_θ>32768，则令

            f_θ=f_θ-32768，dx=int(f_θ·π/180)

并计算

      A₂=s_n-int( c_n ·dx/32768)-int(s_n· dx·dx/2/32768/32768))；

步骤(11)：根据上述两种情况，获得定点计算下sin(θ)的结果：

                  sin(θ)₁=s·A₁/32768     或者

                  sin(θ)₂=s·A₂/32768。

步骤(12)： 用计算得到的正弦值形成正弦波和定时器生成的三角波，两个相调制，最终生成精度较高的SPWM波。

所述的Q15格式是将一个小数放大2¹⁵后，用放大后的整数来表示小数，Q0格式是表示未经处理的数。