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基于DSP的空间电压矢量PWM技术研究

基于DSP的空间电压矢量PWM技术研究

 1 引言

  近年来,在高性能全数字控制的电气传动系统中,作为电力电子逆变技术的关键,PWM技术从最初追求电压波形正弦,到电流波形正弦,再到磁通的正弦,取得了突飞猛进的发展[1]。在众多正弦脉宽调制技术中,空间电压矢量PWM(或称SVPWM)是一种优化的PWM技术,能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗,降低脉动转矩,且其控制简单,数字化实现方便,电压利用率高,已有取代传统SPWM的趋势。本文对空间电压矢量PWM的原理进行了深入分析,重点推导了每一扇区开关矢量的导通时间,并在TI公司生产的DSP上实现三相逆变器的控制,证明了分析的正确和可行性。

  2 空间电压矢量PWM原理

  图1为三相电压源逆变器示意图,Sa、Sb、Sc为逆变器桥臂的开关,其中任一桥臂的上下开关组件在任一时刻不能同时导通。不考虑死区时,上下桥臂开关互逆。将桥臂输入点a、b、c的开关状态用下面的开关函数表示:

  Sk=1(桥臂k,上桥臂导通,下桥臂关断);Sk=0(桥臂k,上桥臂关断,下桥臂导通)。  由a、b、c的不同的开关组合,可以有23=8个开关矢量(Sa Sb Sc),即V0(000)~V7(111),其中有六个有效开关矢量V1~V6和两个零开关矢量V0和V7。利用V0~V78个矢量的线性组合可以近似模拟等幅旋转向量,由磁链和电压间简单的积分关系,可知此时实际的电机气隙磁通轨迹接近圆形。图2为SVPWM矢量、扇区及每个扇区开关方向图。按图2,有表1所示扇区号与k的关系。

  其中k为以a轴为起点,以π/3为单位,逆时针方向排列的序号,若θ为矢量与α轴夹角,则有


  SVPWM技术的目的是通过合成与基本矢量相应的开关状态,得到参考电压Uout。对于任意小的时间周期T,逆变器输出平均值与Uout平均值相等,如式(3)所示:

  其中Tx、Tx+60(或Tx-60)分别为一个周期内,开关状态Ux、Ux+60(或Ux-60)对应的作用时间,Ux与Ux+60(或Ux-60)是合成Uout的基本空间矢量。如果假定在很小的时间T内参考电压Uout的变化很小,则式(3)可以变为式(4):

  在一个完整的调制周期T内,除了Tx和Tx±60的导通时间,其余为零矢量O000和O111作用时间(零状态时间)T0,当作用时间相等时,直流利用率可以大大提高,故可将(4)式表示为(5)式:

  根据三相系统向两相系统变换保持幅值不变的原则,定子电压的空间矢量可以表示为:Us=

  式中,Vdc为逆变器的直流母线电压,而两个零矢量则用O000和O111表示,其实际值为0。

  考虑到在具体实现SVPWM时,零状态存在于每一个区域中,一般每个调制周期均以O000开始,同时为减少开关损耗,相邻两个作用矢量只有一个开关量变化,即(Sa Sb Sc)中只有一个变化,故在O000之后应将U0、U120、U240选作作用矢量,即在每个扇区中非零矢量的作用顺序如图2所示。同时,注意到相反方向的两个矢量(即空间上相差180°的两个矢量,如U60与U240),其开关量(110)与(001)完全互补,故我们可以通过计算0~180°范围内(即3、1、5扇区)每个矢量的作用时间推出180°~360°矢量作用时间,进而计算出所有扇区的矢量作用时间。
  当k=1时,相应的电压矢量为U0和U60,由(7)式知:

  3 开关矢量开关时间的计算

  由上述分析,我们可以画出如图3所示的开关矢量开关时间计算图[3],图3是k=1时开关时间计算图,注意到为使计算方便,坐标系如图3定义:




其 中Ui——线电压有效值;
Up——相电压有效值;
  Λ——每相磁链有效值;
Upm——相电压幅值。
代入式(10),可得:

  综合以上三式,可得出k=1、2、3时一个周期内两个相邻矢量的作用时间:

  由前面的分析可知,k=4、5、6时一个周期内相应矢量的作用时间分别与k=1、2、3时作用矢量顺序相反而时间值相等,即

  式(14)、(15)组成了SVPWM中各扇区相应电压矢量的作用时间表达式,本文后面的软件实现中将直接利用该结果。

  
继承事业,薪火相传
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