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1、学 海 无 涯3 SVPWM的原理及实现方法随着电压型逆变器在高性能电力电子装置（如交流传动、不间断电源和有源滤波器）中的广泛应用，PWM控制技术作为这些系统的公用技术，引起人们的高度重视，并得到越来越深入的研究。本章首先推导出SVPWM的理论依据，然后给出5段式和7段式SVPWM的具体实现方法。3.1 SVPWM的基本原理空间矢量PWM从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即磁通正弦。它以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。由于该控制方法把逆
2、变器和电机看成一个整体来处理，所得的模型简单，便于微处理器实时控制，并具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高的优点，因此目前无论在开环调速系统或闭环调速系统中均得到广泛的应用2。设交流电机由理想三相对称正弦电压供电，有214 （3.1）其中，为电源线电压的有效值；为相电压的有效值；电源电压的角频率，。由于三相异步电动机的定子绕组空间上呈互差1200分布，定义电压空间矢量为 （3.2） 其中，为电压空间矢量，考虑到不同的变换，可以取不同的值，如功率不变，电压电流幅值不变等1518。所采用交流电机的定子坐标系如图3.1所示。图3.1 交流电动机定子坐标系为了使合成空间矢量在静止三相坐标轴上的投影和分
3、矢量相等，将值取为，（这也是Park变化所采用的系数）。所以电压空间矢量可以表示为 （3.3）将（3.1）式中的值代入式（3.3）可得理想供电电压下的电压空间矢量 （3.4）其中，； 可见理想情况下，电压空间矢量为幅值不变的圆形旋转矢量。与电压空间矢量相类似，定义磁链空间矢量为 （3.5）其中，为磁链空间矢量， 分别为电机三相磁链矢量的模值。 下面找出磁链和电压空间矢量的关系，根据异步电动机定子绕组的电压平衡关系式 （3.6）其中，为定子三相电流的合成空间矢量，为定子电阻。当电动机的转速不是很低时，定子电阻压降在式（3.6）中所占的比例很小，可以忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似
4、关系为或 （3.7）即磁链空间矢量可以等效为电压空间矢量的积分，如果能够控制电压空间矢量的轨迹为如式（3.4）所示的圆形矢量，那么磁链空间矢量的轨迹也为圆形。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可以转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。进一步分析，由式（3.3）（3.5）（3.7）可以得到公式（3.8）（3.8）对电压积分，利用等式两边相等的原则有 （3.9）其中，为电机磁链的幅值，即为理想磁链圆的半径。当供电电源保持压频比不变时，磁链圆半径是固定的。在SVPWM控制技术中，是取以为半径的磁链圆为基准圆的。 3.2 逆变器电压的输出模式 图3.2 给出了电压源型PWM逆变器异步电动机示意图14。图3.
5、2 PWM逆变器电路（16为IGBT）对于180o导电型的逆变器来说，三个桥臂的六个开关器件共可以形成8种开关模式。用分别标记三个桥臂的状态，规定当上桥臂器件导通时桥臂状态为1，下桥臂导通时桥臂状态为0，这样逆变器的八种开关模式对应八个电压空间矢量，其中为直流侧电压。在逆变器的八种开关模式中，有六种开关模式对应非零电压空间矢量，矢量的幅值为；有两种开关模式对应的电压矢量幅值为零，称为零矢量。当零矢量作用于电机时不形成磁链矢量；而当非零矢量作用于电机时，会在电机中形成相应的磁链矢量。对于每一个电压空间矢量，可由图3.2求出各相的电压值，再将各相的电压值代入式（3.3），可以求得电压空间矢量的位置
6、。下面以开关状态为例，即开关导通，其余关断。逆变电路的形式可以变为B相和C相并连后再和A相串连的形式，易得。将其数值代入式（3.3），可得。采用同样的方法可以得到如表3.1所示的逆变器空间电压矢量。表3.1 逆变器的不同开关状态对应的空间矢量表定子电压空间矢量开关状态相电压矢量表达式A相B相C相00000000010100111001011101110000由于SVPWM控制的是逆变器的开关状态，在实际分析逆变器电动机系统时，可以通过分析逆变器输出的电压空间矢量来分析电机定子电压的空间矢量，下面给出证明。设逆变器输出的三相电压为,由图3.2可求出加到电机定子上的相电压为 （3.10） 其中，为
7、电机定子绕组星接时中点0相对于逆变器直流侧点的电位。电机定子电压空间矢量为 （3.11）而由三角函数运算知。因此，逆变器输出的电压空间矢量为 （3.12）由式（3.12）可知，在PWM逆变器电动机系统中，对电机定子电压空间矢量的分析可以转化为对逆变器输出电压空间矢量的分析。这时，在求解表3.1时，可以直接利用逆变器输出的电压合成得到，即A,B,C三相输出电压值只有和两个值。当逆变器输出某一电压空间矢量时，电机的磁链空间矢量可表示为 （3.13）其中，为初始磁链空间矢量；为的作用时间。当为某一非零电压矢量时，磁链空间矢量从初始位置出发，沿对应的电压空间矢量方向，以为半径进行旋转运动，当为一零电压
8、矢量时，磁链空间矢量的运动受到抑制。因此合理地选择六个非零矢量的施加次序和作用时间，可使磁链空间矢量顺时针或逆时针旋转形成一定形状的磁链轨迹。在电机控制当中尽量使磁链轨迹逼近正多边形或圆形。同时，在两个非零矢量之间按照一定的原则，比如开关次数最少，插入一个或多个零矢量并合理选择零矢量的作用时间，就能调节的运动速度。3.3 SVPWM的具体实现方法在实际应用中，应当利用SVPWM自身的特点找到控制规律，避开复杂的数学在线运算，从而较为简单的实现开关控制，本节将给出实现SVPWM的具体方法。根据3.2节中给出的不同开关状态组合可以得到如图3.3的电压空间矢量图。图3.3 SVPWM 矢量、扇区图通
9、常在矢量控制的系统当中，根据控制策略，进行适当的坐标变换，可以给出两相静止坐标系即（）坐标系电压空间矢量的分量，这时就可以进行SVPWM的控制，具体要做以下三部分的工作：1. 如何选择电压矢量。2. 如何确定每个电压矢量作用的时间。3. 确定每个电压矢量的作用顺序。 3.3.1 电压空间矢量的空间位置这里需要引入扇区的概念，将整个平面分为六个扇区。如图3.3所示，每个扇区包含两个基本矢量，落在某个扇区的电压空间矢量将由扇区边界的两个基本电压空间矢量进行合成。在确定扇区时，引入三个决策变量A,B,C。根据给出的待合成的空间矢量的两个分量来决定A,B,C的取值，有以下关系式所在扇区的位置为。当N取
10、不同的值对应的扇区位置如图3.3所示，这样给定一个空间电压矢量就可以确定其所在的扇区。3.3.2 电压空间矢量的合成 扇区确定之后，就可以利用扇区边界上的两个基本矢量合成所需的矢量，在合成过程中应当使得两个基本矢量的合成效果接近于期望矢量的效果。于是采用伏秒平衡的原则，以图3.3所示的第扇区为例，以轴为基准，将两个基本矢量向轴上投影，应当有轴：轴： 其中，为对应电压矢量作用的时间，为采样周期，通常为PWM的调制周期。且。求解上面两式可以得到这两个基本矢量的作用时间如式3.14 （3.14）通过上面的方法即可以确定基本矢量的作用时间，当需要合成的矢量位于各个不同的扇区时都存在如上的运算。通过对每
11、个扇区基本矢量动作时间的求解不难发现它们都是一些基本时间的组合。所以给出几个基本的时间变量X,Y,Z。定义 （3.15）通过计算可以得到在每个扇区内的基本矢量动作时间，（由于五段和七段式的实现方法不同，所以这里没有考虑矢量的动作顺序，仅按照逆时针方向）。 设每个扇区的两个基本矢量动作的时间为。于是可以得到矢量动作时间表3.2。表3.2 与的对应关系表扇区 在实际的应用中当给定的电压值太大时会出现过调制的情况，即。此情况出现时，还要对上述计算出来的电压矢量的作用时间进行调整，具体方法如式3.16所示。 （3.16） 即为调整后的动作时间。在一个PWM周期内除了非零电压矢量的作用，还要有零电压矢量
12、的作用，零电压矢量包括。对于这两个矢量的作用时间，以及开关的动作顺序，取决于采用的SVPWM是五段式还是七段式，3.3节将对这两种PWM形式进行详细的介绍。3.4 SVPWM的硬件实现和软件实现 TI公司的TMS320LF2407A系列的DSP内部有硬件来实现SVPWM，由于每个PWM周期被分为五段，因此也被称为五段式的SVPWM。在每个PWM调制周期内，开关状态有五种，且关于周期中心对称。而七段式的SVPWM在每个PWM调制周期内有七种开关状态，需要运用软件进行实现，因此也被称为SVPWM的软件实现。需要注意的是，无论哪种方法，所遵循的基本原则是开关动作次数最少，每个开关在一个周期内最多动作
13、两次。3.4.1 五段式SVPWM 对于五段式的SVPWM，只在PWM周期的中间插入零矢量，具体采用哪一个由硬件根据旋转方向和开关动作次数最少的原则自行决定。例如在第扇区内，如果旋转方向为逆时针时针，则先动作，后动作以此类推，动作时间可以直接采用表3.2中的数据即可，然后选择零矢量（硬件决定）即可使开关次数最少。对于五段式PWM而言，零矢量作用的时间可以表示为:。根据上述的配置原则，在每个扇区内开关动作的示意图如图3.4所示2021。 图3.4 每个扇区内的开关动作示意图 每个TMS320LF2407A的事件管理器EV模块都具有十分简化的电压空间矢量PWM波形产生的硬件电路。编程时只需进行如下
14、的配置24 l 设置ACTRx寄存器用来定义比较输出引脚的输出方式，决定高电平还是低电平有效，正反转，所在扇区等。l 设置COMCONx 寄存器来使能比较操作和空间矢量PWM方式，并且把CMPRx的重装条件设置为下溢。l 将通用定时器1或2，4或5设置成连续增/减计数模式，并启动定时器。然后给据在两相静止坐标系下输入到电机的电压空间矢量，分解为，确定如下的参数：l 所期望的矢量所在的扇区。l 根据SVPWM的调制周期计算出两个基本的空间矢量和零矢量作用的时间。l 将相应于的开启方式写入到ACTRx.1412位中，并将1写入ACTRx.15中，或者将的开启方式写入到ACTRx.1412位中，并将0写入ACTR
