[论文]第三章空间矢量脉宽调制算法.doc

第三章 空间矢量脉宽调制所谓PWM技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波的一门技术。目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十种，尤其是利用微处理器使PWM技术数字化以后，花样更是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪声等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。目前，多采用电压型PWM变频器同时实现变压变频控制的目的18。通常电压型PWM变频器先将电源提供的交流电通过整流器变成直流，再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流电。采用PWM技术不仅能提供较好的逆变器输出电压和电流波形，而且提高了逆变器对交流电网的功率因数。对于PWM控制技术，从控制思想上可分成四类：即等脉宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM法）、磁链跟踪型PWM法和电流跟踪型PWM法。电气传动的PWM控制技术是调速传动的关键技术。PWM技术中应用研究的热点是正弦脉宽调制(SPWM)和电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)。3.1 SPWM技术和SVPWM技术的概念与比较1） SPWM控制技术由于PWM变换器具有功率因数高、可同时实现变频变压及抑制谐波的特点，因此在交流传动及其他能量变换系统中得到广泛应用。最常用的PWM技术为正弦PWM(SPWM)。SPWM法是以三相正弦波(以对称电压为基准的正弦波称为调制波)与用一系列等幅的三角波(称为载波)相交，由它们的交点来确定逆变器的开关模式，使定子旋转磁场接近圆形。这种SPWM的脉冲宽度按正弦规律变化，因此可以有效地抑制低次谐波，使电机工作在近似正弦的交变电压下，转矩脉动小，大大扩展了交流电机的调速范围。SPWM已被广泛应用于逆变器中，针对SPWM直流电压利用率低，又提出了一些改进办法，如三次谐波注入法。该方法有效地解决了直流电压利用率问题。但在电压闭环控制时存在调制波和注入的二次谐波如何同步的问题。另外，传统的高频三角波与调制波比较生成PWM波的方式适合模拟电路，不便于数字化方案实现。2）空间电压矢量PWM技术(SVPWM技术)80年代中期，国外学者在交流电机调速中提出了磁通轨迹控制的思想，进而发展产生了电压空间矢量(Space Vector)的概念。其物理概念清晰，算法简单且适合数字化方案，故一经提出即受到关注，SVPWM目前也己经得到应用。空间电压矢量PWM和电压正弦PWM不同，它是从电机的角度出发的，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。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，并用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，把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得模型简单，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、低谐波成分、开关次数少和功率管功耗小等优点，同时，SVPWM还能很好的结合矢量控制算法，为矢量控制得实现提供得很好的途径，以最大限度的发挥设备的性能。因此被越来越多的变频设备所采用。3.2 电压型逆变器的电压状态及空间矢量理想电压型逆变器如图3-1，由三组、六个开关有问题组成。由于、之间互为反向，即一个接通，另一个断开，所以三组开关有8种开关组合。把开关称为a相开关，用表示； ，称为b相开关，用表示；称为c相开关，用表示。也可用简称表示三项开关、和。若规定，a， b，c三相负载的某一相与“+”极接通时，该相的开关状态为“1”态；反之，与“-”极接通时，为“0”态 21。图3-1 理想没有英文标题，建议重画该图电压型逆变器8种开关状态可以分为两类：一类是6种工作状态，即表3-1中的状态“1”到状态“6”，它们的特点是三相负载并不都接到相同的电位上去；另一类是零开关状态，如表3-1中的状态“0”和状态“7”，它们的特点是三相负载都被接到相同的电位上去，对外来说，输出的电压都为零，因此统称为逆变器的零电压状态。如果图3-1所示的逆变器不断地改变其开关状态，即不断地给电动机定子绕组组成的不同回路施加电压，定子绕组的电压是随时间在空间上变换的，为此，引入空间矢量概念，使逆变器输出电压具有空间的意义。空间矢量PWM技术的目的是通过与基本的空间矢量对应的开关状态的组合得到一个给定的定子参考电压矢量。根据矢量合成法则，将各相电压矢量相加，可得到三相合成电压空间矢量： （3.1）根据上式，把各电压状态下的逆变器三相输出电压矢量均匀的分布在()坐标平面上，如图3-2所示，逆变器的六个工作电压状态给出了六个不同方向的电压空间矢量，依次相差，幅值相同。按逆时针方向旋转，六个电压空间矢量的顺序是：图3-2 电压空间矢量图没有英文标题，而且图形太大，应该缩小一些取三相输入电压为： （3.2）此时输出电压空间矢量为： （3.3）由上式可以看出，输出矢量轨迹是一个圆。在数字电流控制中，输出电压矢量取值为一系列离散矢量。空间电压矢量PWM调制的目的就是如何生成这一系列的输出电压矢量，使得输出电流谐波最小，直流电压利用率最高，算法简单。 3.3电压空间矢量PWM调制的实现常规的电压空间矢量控制算法需要进行复杂的正弦函数和反正切函数运算，在实际控制系统中实现起来困难，同时也影响了系统的动态性能。本文提出了一种基于电压空间矢量的简化算法，根据参考电压的符号和大小来计算矢量位置和作用时间，从而大大简化了计算，易于数字处理器DSP的实现，具体实现如下：1.计算矢量所在的扇区 （3.4） 由下表可以推出所属的扇区：表3.I N与所属扇区的关系2.相邻两矢量作用时间的确定不同扇区的两个相邻有郊效矢量的作用时间可以归纳为三个值的计算，令 （3.5）对于不同的扇区， 按下表取值。，赋值后，还要对其进行饱和判断，若，则取，表3.2 、的赋值表3. 确定比较器的切换点根据图4-4所示（以第三扇区为例），可以得到矢量的切换点：， ， （3.6）图3-3 在扇区内的SVPWM信号图其他扇区同理可以求得，整理得表4-33.3所示表3.3各扇区内的的切换点表中D,E,F代表什么？从对电压空间矢量PWM控制方式的研究和分析来看，其突出特点之一就是直流侧电压利用率高，这样相应地扩大了调制波的应用范围；另外，在保证交流电流波形总畸变率THD%基本相同地情况下，相对于其他模式开关频率有所降低，这样系统地开关损耗就有所减少。3.4 SVPWM的电压利用率 在SVPWM调制方法中，落在某个扇区内的期望电压矢量，可由该扇区相邻的两个电压矢量、及零矢量按照伏秒平衡原则来合成，即： （3.7）下面推导其电压幅值的取值情况，以一合成电压空间矢量落在图4-2中扇区I内为例，如图3-4所示，按照平行四边形法则，那么有42:图3-4 的合成 （3.8）式中，作用时间，作用时间，作用时间，系统采样周期，即SVPWM逆变器开关周期。式（3.8）表明，在时间内产生的积分效果与、零电压矢量分别在、时间内的积分和相同。 根据逆变器在不同的开关状态下的输出电压矢量可知： （3.9）将、代入式（3.8）得 （3.10）上式中，零矢量只是补足、以外的时间，它只影响合成矢量的幅值。令式（3.10）两边实部和虚部相等得 （3.11）当，零电压矢量（或）的作用时间分别为、，其中。随着参考电压矢量长度的增加，输出的基波电压幅值也线性增加，、逐渐加大，逐渐减小。而要使得合成矢量在线性区以内就必须满足不等式即必须是一个非负数。令式（3.11）中的表达式大于等于零可推得 （3.12）因为对于任意的值，式（3.12）都必须成立，故不等式（3.12）的右边应取其下限值，即有： （3.13）式（3.13）指明了SVPWM的线性工作区范围，反映在图3-2上就是图中正六边形的内切圆。虽然SVPWM的线性区应是整个六边形的内部，但当矢量的模长比内切圆半径大时，就不能保证在整个360范围内都是线性调制。由于矢量的模长等于各相正弦量的峰值.所以在满调制时，SVPWM输出的相电压基波峰值为，线电压基波峰值为，等于直流母线电压。常规SPWM在满调制时，输出相电压的基波峰值为，线电压的基波峰值为。可见，SVPWM的线性工作区比常规SPWM高有问题。SVPWM具有比常规SPWM更宽的线性工作范围，SVPWM输出电压最大时，线电压峰值等于，己达到直流母线电压，再增加就不是线性调制了，所以SVPWM的直流电压利用率己达到了最高。3.5 SVPWM的优化观察由逆变器产生的8种电压矢量矢量一律改成箭头的，上面不要是w、，可知，任意相邻三个矢量都有且仅有一位相同(1或0)。因此，如果在三个相邻电压矢量所夹扇区内固定选用一个适当的零电压矢量（或），可使每一相在一个周期内有连续的扇区不开关；同时，任意两个相邻矢量和一个选定的零电压矢量（或）三者有且仅有一位相同。也就是说在任何一个扇区内无论零电压矢量如何分配，最多只能保证一相桥臂不开关。因此，在SVPWM中，适当地分配零电压矢量，在采样周期不变的前提下，每相每周期内最多可有的扇区不开关，从而最多可将开关总次数减少三分之一43。假设式（3.8）中零电压矢量（或）的作用时间分别为、其中。当逐渐增大时，矢量的作用时间逐渐加大，矢量的作用时间逐渐减少，导致各相脉宽都逐步增大，到时，矢量的作用消失，扇区中脉宽最宽的那一相脉宽变为，即始终为高电平。当逐渐减小时，情况正好相反，各相脉宽逐步缩小，到时，矢量的作用消失，扇区中脉宽最窄的那一相脉宽变为零，即始终为低电平。由此可见，第一种优化方案是：当时，在扇区和，相始终保持上臂断、下臂通的状态；在扇区和，相始终保持上臂断下臂通的状态；在扇区和，相始终保持上臂断下臂通的状态。第二种优化方案是：当时，在扇区和，相始终保持上臂通下臂断的状态；在扇区和，相始终保持上臂通下臂断的状态；在扇区和，相始终保持上臂通下臂断的状态。因此，当或时，每相PWM波都有连续的三分之一周期维持为正母线电压或负母线电压，对应的逆变器桥臂开关状态也不发生变化44。总得来说，较之常规SPWM方式，SVPWM对系统中的逆变器直流电压的利用率有了很大的提高。在相同的开关频率下，优化SVPWM调制模式的开关损耗比常规SPWM减少了三分之一。优化SVPWM调制模式借助于DSP中的SVPWM模块功能，只需要对相应的寄存器作适当的设置，实现起来方便容易。因此，优化SVPWM调制策略是优先的选择。3.6 SVPWM算法的程序实现图2.10 该是3-5吧SVPWM处理程序流程图Fig.2.10 SVPWM proce