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1、 黄石理工学院 毕业设计（论文）1 绪论电力电子技术自20世纪50年代诞生以来，经过半个多世纪的飞速发展，至今已被广泛应用于电力系统、电机调速系统及各种电源系统等需要电能变换的领域。在低压小功率的用电领域，电力电子技术的各个方面已渐趋成熟，将来的研究目标则是高功率密度、高效率和高性能;而在高压大功率的工业和输配电领域，各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。SPWM及其SVPWM技术都是电力电子技术前沿科学成就。他们均是为了满足交流调速需要而开发的系统。也是电力电子技术应用精华之一17。从变频调速的历史来看，早在半个多世纪以前，对现在常用的变压变频调速方法的原理都已经研究清楚了，只是由
2、于要用电磁元件和旋转交流机组来实现，而控制性能又赶不上直流调速（矢量控制尚未发现以前）推广应用，6070年代，有了静止的电力电子变流装置以后，逐步解决了调速装置要减少设备，减少体积，降低成本，提高效率，消去噪声等问题，才使得变频调速得到了飞跃式的发展。发明矢量控制以后，又提高了交流调速系统的动，静态特性，但是要实现矢量控制规律，需要复杂的模拟电子电路，其设计，制造和调试都很麻烦。采用微机控制以后，用软件实现矢量控制算法，简化了硬件电路，从而减低了成本，提高了可靠性，而且还有可能实现更复杂的控制技术。从20世纪90年代起向下一世纪迈进的年代里，电力电子技术发展的特点是：一方面是原有各新型电力电子
3、器件额定参数的不断提高；另一方面是电力电子技术与微电子技术的进一步结合，使电力电子器件朝着大容量、智能化方向迅速发展，预示着电力电子技术由半控型、全控型器件进入了一个全新的智能型时代。由此可见，电力电子和微机控制是现代调速系统发展的两个重要方面。另外，先后涌现出了大量的控制方法，也推动了变频调速的迅速发展，其中具有代表性的是：转速开环恒压频比（U/f=常数）控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制，非线性控制，自适应控制，滑摸变结构控制和智能控制等。随着电力电子器件和微处理器的发展，PWM逆变器在电气传动中得到了越来越广泛的应用16。如何确定PWM逆变器件的开关时间，有许多不同的技术，如应用
4、较多的SPWM及相对较新的空间电压矢量PWM(SVPWM)等。目前实现SPWM的方法主要有二种：一种是使用单独处理器，如单片机和DSP独立生成。运用软件编程的方式实现，但这种方法只能产生6路或12路的有限路的PWM信号，不能满足多轴控制的需要，如要控制多轴则需要增加单片机和DSP的数量，使得系统结构复杂，成本提高,而且抗干扰能力差；另一种是全部使用硬件(FPGA)，这种方法能够实现SPWM控制，但其运算功能不够强大，对于含有复杂运算的系统，FPGA显得势单力薄。本文提出采用数字信号处理器（DSP）与现场可编程门阵列（FPGA）相结合，设计一种通用的电力电子控制系统。该系统结合了DSP强大的运算
5、能力和FPGA的可靠性高，可以实现各种通用PWM算法和各种复杂的控制算法。DSP+FPGA结构最大的特点是灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展。本论文只讲述了DSP部分有关的设计，FPGA部分的设计有其他同学完成9。鉴于初学，本文在SPWM调制波形的原理进行分析的基础上，提出了一种由TI公司生产的数字信号处理芯片和ALTERA公司生产的FPGA芯片，采用软件和硬件相结合的方式来实现三相逆变器的控制方案。 2 控制电力电子技术的简介电力电子技术1( Power Electronics Technology )是利用电力电子器件对电能进
6、行变换及控制的一种现代技术，它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能，以适应千变万化的用电装置的不同需要。目前最为常用也是非常成熟的技术为 PWM 控制技术。2.1 PWM控制技术原理及特点 （a）矩形脉冲 （b）三角形脉冲 （c）正弦半波脉冲 （d）单位脉冲函数 图 2-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图 2-2 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术18。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效所需要的波形（含形状和幅值）。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进
7、行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响3。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候
8、将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用15。PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也
9、应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标4。2.2几种常用的PWM控制技术采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲
10、,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下几类方法19：2.2.1基于正弦波对三角波
11、脉宽调制的SPWM控制SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案。以下简单介绍几种SPWM 波形生成技术：1.自然采样法以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,
12、在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。自然采样法生成的SPWM原理图如下：图 2-3 自然采样法生成的 SPWM 原理图2规则采样法规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法。当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周
13、期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样。 规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。其缺点是直流电压利用率较低，线性控制范围较小。图2-4 规则采样法生成的SPWM原理图3低次谐波消去法谐波消去法，是在 SPWM 波电压波形上设置一些槽口，通过合理安排槽口的位置和宽度，则可以达到既能控制输出电压分量，又能有选择地消除某些较低次谐波的目的。这
14、种槽口的安排如图2-8所示。图中决定槽口的开关角不再用参考信号和载波信号相互比较的方法来确定，而是利用输出电压波形的数学模型通过计算求得。通过分析可知，谐波消去法是一种根据输出电压的数学模型直接确定开关角的方法，其实质是一种优化 PWM 方法。这种方法的优点就是利用有限个开关角就能有效地抑制某些低次谐波。当然，它的缺点也很明显，计算复杂，要求消除的谐波越多，计算量也就越大。另外，通过这种方法只能使特定次数的谐波被消除，而其余次数的谐波却不能被消除，而且可能还会使之增大。但随着M的增大，未消去的谐波的次数也越来越高，这时谐波对电动机的影响已经不大了。在实际应用中，常常是先离线计算出值，利用查表法
15、快速而准确地实时确定开关角地值5。2.2.2电流追踪型PWM技术电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号,把实际的电流波形作为反馈信号,通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断,使实际输出随指令信号的改变而改变。其原理图如下：图2-6 电流追踪型PWM技术原理图2.2.3电压空间矢量SVPWM电压空间矢量SVPWM 控制是一种与SPWM 控制不同的新颖的脉宽调制方法。它不是局限于如何使逆变器输出按正弦规律变化的电源，而是将逆变器和电机看成一个整体，基于电压空间矢量概念，用八种基本电压空间矢量合成期望的电压空间矢量，建立逆变器功率器件的开关状态和空间矢量，并根据电机定子磁链矢量与定子电压之间的关系，直接达到控制电机定子磁链矢量幅值近似恒定，顶点沿圆形轨迹运动，平均速度可调的目的，从而实现对异步电机近似恒磁通变压变频调速。电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场
