（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的空间矢量控制四桥臂逆变器研究.pdf

基于d s p 的三维空间矢量控制四桥臂逆变器研究 a b s t r a c t e l e c t r o n i ci n v e r t e ri s w i d e l yu s e di n v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ( v s c f ) e l e c t r i c a l s y s t e m ，u p s ，a n do t h e r k i n d so fp o w e rs u p p l i e s w i t ht h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to fp w m c o n t r o ls t r a t e g ya n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h e m e t h o do ft h ep w mc o n t r o ii n c l i n et od i g i t a lc o n t r o la n dt h e nt h ep w m t e c h n i q u ep l a y s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l eo nt h ed c a ci n v e r t e rc o n t r 0 1 t h es y s t e mb a s e do nd s p c a nr e a l i z ef l e x i b l ea n dp r e c i s er e a l t i m ec o n t r o lb ys o f t w a r e i th a st h ev i r t u e so f m o d u l a r i z a t i o n ，i n t e g r a t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y , e a s i l yr e p l a n t i n g ，a n ds oo n w ed i s c u s s e dt h e t h r e e p h a s ef o u r - l e g g e di n v e r t e rw i t han o v e lt h r e e d i m e n s i o n a ls p a c ev e c t o tm o d u l a t i o n ( 3 d s v m ) i n t h i s p a p e r i no r d e r t oo b t a i nt h r e e - p h a s ef o u r l i n ea c o u t p u t ，s y s t e ma p p l i e d t h ef o u r l e g g e dm a i nc i r c u i tt o p o l o g y w i t l lt h e3 d - s v m t h ep o w e rs y s t e mr e a l i z e s v o l t a g er e g u l a t i o na n dt h r e e p h a s ef o u r - l i n eo u t r ) u t m e a n w h i l e t h i sk i n do fc o n t r o li s e a s yt ob er e a l i z e di nt h ed i g i t a li n v e r t e r w ed i s c u s s e dt h ep r i n c i p l eo f3 d - s v ma n df o u rl e g g e dc i r c u i tt o p o l o g yd e t a i l e d l y a t t a i n e dt h er e l a t e dc o n t r 0 1s c h e m e w i t ht h ee x a m p l eo f1 5 k v ap o w e r s y s t e m si n v e r t c r t h ep r i n c i p l ea n dd e r i v a t i o no f3 d s v m a sw e l la st h ev e r i f i c a t i o no fs i m u l a t i o nr e s u l t w a sc a r r i e do u t a tl a s t ，w ep r o g r a m m e do nt h ed i g i t a lc o n g t r o lp l a t f o r ma n d p r o c e s s e d t h el i g h tl o a d e x p e r i m e n t k e yw o r d s ： i n v e n e ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d i g i t a lc o n t r o l ，f o u r - l e g g e d i n v e n e lt h r e ed i m e n s i o ns p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 飞机供电系统是现代飞机的一个重要组成部分。它的作用是向飞机上的用电设备 提供电能。现代飞机上所使用的主电源类型有如下几种：低压直流电源、恒速恒频交 流电源、变速恒频交流电源、2 7 0 v 高压直流电源以及混合电源i l j 【4 j 【副博j 。 低压直流电源由飞机发动机直接传动的直流发电机和控制器构成，调压点电压为 2 8 5 伏。该电源主要优点是结构简单、工作可靠，一般用作中、小型飞机主电源。现 役飞机的主流，是恒速恒频交流电源( c s c f ) 。较直流电源而言，c s c f 电源容量大， 重量轻；由变压器、变压整流器构成二次电源，工作可靠，体积重量小，效率高。恒 速恒频交流电源经过多年的发展，其技术已逐步成熟，工作稳定可靠，得到了广泛应 用，并在进一步地提高。但c s c f 电源也有着很大的缺点，即：恒装是精密机械，生 产制造和使用维护困难；能量转换效率低：电能质量难于进一步提高；难以实现起动 发电双功能【2 】。电力电子器件和电力电子技术的成熟，使航空交流电源的发展进入变 速恒频阶段。变速恒频电源是由变频发电机和电子变换器构成，通过电子变换器将发 电机输出的变频交流电转换成为恒频交流电。以电力电子变换器和微型计算机构成的 控制器为核心的变速恒频电源( v s c f ) ，无论从可靠性、研究成本、维护性、体积 重量和电气性能的哪一方面来看，均优于c s c f 电源【4 j 。高压直流电源是由高压无刷 直流发电机及其控制器构成，它具有重量轻、效率高，容易实现不中断供电和余度供 电，更能适应电力作动系统等高技术用电设备的用电要求，便于向全电、多电飞机过 渡，而且通过多功能变换器，可获得低压直流电和4 0 0 h z 恒频交流电，满足各种用电 设备需要，有很好的发展前景。混合电源是指飞机上装有两种主电源的电源系统。新 一代混合电源是由一台或两台发电机产生变频交流电，然后通过变换器将变频交流电 转化成为恒频交流电和直流电两种电源形式，提供用电设备使用。这种电源系统因为 高效率、高可靠性、容错性强、重量轻、价格低和研制风险小等优点，成为未来飞机 电源发展的重点坤j 。 从飞机电源的发展历程和趋势可以看出，尽管目前恒速恒频和变速恒频电源同样 具有技术成熟、功率重量比较高、工作可靠等优点，但变速恒频电源具有效率高、结 构灵活等独特优点使其具有发展优势。在未来的飞机电源中，混合电源也要求将直流 电变换到恒频交流电，这同样涉及到变速恒频的核心技术一电子变换器技术。综上所 述，变速恒频电源具有宽广的应用前景。 基于d s p 的三维空间矢量控制四桥臂逆变器研究 1 2 课题背景和研究目的 变速恒频电源技术是随着大功率半导体器件的出现、不断更新以及变流技术的日 趋成熟应运而生，伴随着现代电力电子技术、微电子技术的进步和新的控制方式的提 出而不断发展的。 变速恒频电源的电能质量主要取决于逆变器的质量，如输出电压失真度、频率稳 定度和三相电压对称性等。现在的v s c f 电源中逆变器主要有阶梯波合成型和脉宽调 制型两种类型【3 i 【”。阶梯波合成型v s c f 电源是由几个输出电压为方波的逆变器，按 照一定规律，通过综合变压器将这些输出电压进行叠加，使每一间隔内阶梯波的阶高 按正弦规律变化。这种逆变器理论上所含谐波为2 k n 土1 。脉宽调制技术是当前国际上 电力电子装置广泛采用的控制方式，脉宽调制型交直交变速恒频电源由于其电路简 单、输出电能质量高等优点成为变速恒频电源发展的主流【7 l 。 脉宽调制技术的发展与进步体现在如下三个方面：一是电路拓扑的优化和革新； 二是脉宽调制的控制策略不断丰富和成熟：三是实现脉宽调制控制技术的手段也不断 发展，从最初模拟电路发展到现代利用各种数字技术、微型计算机技术。 在主电路拓扑方面，对于特定应用场合电源系统( 航空电源、u p s ) ，其三相负 载是变化的( 包括对称和不对称变化、线性与非线性变化等) ，这就要求输出具有中 线，即要求三相四线输出。传统的三相逆变器采用中点形成变压器来达到输出要求。 本文提出在传统的三相桥式逆变器的基础上增加一个桥臂用来形成中点的四桥臂电 路形式，其控制采取三维空间矢量调制( s v m ) ，变换器系统可以方便地实现具有 调压功能的三相四线输出，并且具有较高的直流利用率，且这种控制方法可以比较容 易地移植到现有的数字变换器平台上，具有较好的发展前景。 在控制策略方面，传统变速恒频电源的变换器控制采用开关点预置正弦脉宽调制 ( 如九块波、十三块波最优开关点预置) ，就是通过计算机连续计算所有量化开关点， 以总谐波含量最小为原则选择一组最优开关点并将其存贮，控制电路以一定的时钟频 率读取存储介质中的开关点，以此作为功率管的控制信号，这种控制方案具有总谐波 含量小、直流电压利用率高、功率管开关频率低等优点【8 j 。但是，在这种控制方案中， 开关点是事先离线计算好的，由于开关点固定，功率器件的控制波形不能改变，因而 输出电压没有调节功能，只能藉电压调节器来调节系统输出 j 。由此本文提出一种三 维空间矢量调制策略，这种控制方式源于电机的矢量控制，和电机调速情况一样，只 限于三相交流电情况，其主要的控制思想是通过用组开关矢量来拟合电压参考矢 量，保证稳态时参考矢量的匀速定幅旋转来保障三相电压的输出要求，根据负载和输 入电压的变化相应的改变参考矢量的幅值大小，进而达到调压的目的。这种控制方式 具有控制灵活、动态性能好、便于数字控制实现等优点，因而成为目前v s c f 电源控 制技术的研究热点之一。 在实现手段方面，随着数字信号处理( d s p ) 技术的成熟和普遍，新一代的数字 南京航空航天大学硕士学位论文 信号处理器( d s p ) 采用哈佛结构、流水线操作，即程序、数据存储器彼此相互独立， 在每一时钟周期中能完成取指、译码、读数据以及执行指令等多个操作从而大大减少 指令执行周期。另外，由于其特有的寄存器结构，功能强大的寻址方式，灵活的指令 系统及其强大的浮点运算能力，使得d s p 不仅运算能力较单片机有了较大地提高， 而且在该处理器上更容易实现高级语言。正是由于其特殊的结构设计和超强的数据运 算能力，使得d s p 能用软件实现以前需用硬件才能实现的功能，也同样使数字信号 处理中的一些理论和算法可以实时实现【8 】r i o 】f l l 】1 1 2 1 。运用d s p 实现数字化控制，具有 以下优点：1 可采用先进的控制方法和智能控制策略；2 控制灵活，系统升级方便， 甚至可以在线修改控制算法，而不必对硬件电路做改动；3 控制系统可靠性提高， 易于标准化，模块化，维护方便；4 系统一致性好，成本低，生产制造方便。 数字控制由于其控制理论与实施手段的不断完善，且因为其具有高度集成化控制 电路、精确的控制精度、以及稳定的工作性能，如今已成为功率电子学的一个重要研 究方向，而且数字控制也是最终实现电源模块化、集成化、数字化、绿色化的有效手 段。 本文研究内容基于型号为t m s 3 2 0 c 3 2 的d s p 芯片及其外围硬件构成的数字平 台，变换器系统的全部控制和保护功能均可由软件实现，一片d s p 芯片以及少数外 围电路就可完成整个变换器系统的控制及保护全部功能，系统实现电路得到进一步简 化，而且d s p 的高速、稳定的数据处理能力保障了系统的准确性、实时性和灵活性， 有效地提高了系统的综合性能。另外，硬件平台具有可扩展性，具有良好的通用性【引。 1 3 本文研究的主要内容 综上所述，本文研究内容为基于d s p 的空间矢量控制( s v m ) 四桥臂逆变器研 究。针对本课题内容，对四桥臂空间矢量控制的控制策略进行了深入研究，完成系统 仿真，进行了对比论证；完成了数字变换器平台的硬件改进、调试和实验，对m a t l a b 的p s b 建模和仿真，控制策略的c 语言编程实现进行了研究，完成了数字变换器平 台的四桥臂空间矢量控制程序的编写和调试：现已将开关点预置型s v m 控制程序系 统联调成功，并通过实验验证，系统工作稳定。完成在线计算型s v m 控制程序的优 化、调试以及初步实验。 第二章首先阐述了四桥臂主电路的工作原理和优点，并介绍了相关的控制策略和 方案；其次介绍空间矢量调制的工作原理，根据四桥臂模型，推导了在不同负载情况 下的合成参考矢量计算公式。 第三章在介绍m a t l a b 的基础上，应用其中的p s b 对本控制系统进行了各种负 载情况、稳态和动态情况的仿真，给出仿真结果并进行了深入分析。 第四章阐述了整个变速恒频电源数字变换器的硬件设计，一片t m s 3 2 0 c 3 2 芯片 和少数外设电路构成了一个完整的变换器系统控制、保护硬件资源，硬件电路较以往 基于d s p 的三维空间矢量控制四桥臂逆变器研究 的电路有了较大简化，工作可靠性提高。详细论述了d s p 控制电路硬件构成，介绍 了功率变换器硬件构成以及相关辅助电路。 第五章主要介绍了基于数字平台的实现控制策略的软件流程，对d s p 的汇编语 言、c 语言的编程要点进行了小结。本章的最后介绍了对称负载情况下的逆变器实验， 给出相应的实验结果以及分析。 第六章对在研究工作中遇到的问题做了小结，并对以后的进一步研究方向提出了 设想。 参考文献 严仰光谢少军，民航飞机供电系统，航空工业出版社 2 】王晨，变速恒频电源变换器研究，南京航空航天大学硕士论文，1 9 9 7 3 【3 南京航空学院航空电源研究室，关于飞机变速恒频电源研究的报告，南京航空学院科技 报告，n h j b 8 9 5 5 5 8 ，1 9 8 9 1 0 4 】严仰光，航空电源，南京航空航天大学，1 9 9 1 1 0 【5 于敦，国内外新型飞机供电系统的发展概况，航空电气技术，1 9 8 6 1 ，p 1 8 2 5 6 】 s u n d s t r a n da e r o s p a c ea i r c r a f te l e c t r i cp o w e r s y s t e md e s i g n ，1 9 9 6 9 7 】严仰光龚春英，变速恒频电源的现状和发展，航空电气技术，1 9 9 6 1 ，p 4 9 5 2 f 8 】陈新，基于d s p 的变速恒频电源数字变换器平台，南京航空航天大学博士论文，2 0 0 1 5 9 】张雄伟曹铁勇，d s p 芯片的原理与开发应用( 第2 版) ，电子工业出版社，p 2 3 2 6 1 0 】fp d e m e l l o ，l n h a n n e l t ，d w p a r k i n s o n ，j s c z u b a ap o w e rs y s t e ms t a b i l i z e rd e s i g n u s i n gd i g i t a lc o n t r 0 1 i e e e t r a n s o np o w e ra p p a r a t u sa n ds y s t e m ，1 9 8 2 ，v 0 1 1 0 l ，n o 8 ， 2 8 6 0 - 2 8 6 8 【1 1 】m a l i k e e l b u l u k a n d m d k a n k a m p o t e n t i a ls t a r t e r g e n e r a t o r t e c h n o l o g i e s f o r f u t u r e a e r o s p a c e a p p l i c a t i o n si e e e a e r o s p a c e a n d e l e c t r o n i cs y s t e m s v 0 1 】2 ，n o5 。m a y 】9 9 7 ，2 4 3 1 【12 】t z o uy i n g - y u ；j u n gs h i h - l i a n g f u l lc o n t r o lo f ap w m d c a cc o n v e r t e rf o ra cv o l t a g e r e g u l a t i o n i e e et r a n s a c t i o n so na e r o s p a c ea n de l e c t r o n i cs y s t e m s v 0 1 3 4 n o 4 ，0 c t 1 9 9 8 ，1 2 1 8 - 1 2 2 6 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章应用三维空间矢量调制的四桥臂变换器 2 1 引言 由于脉宽调制的控制策略不断丰富和成熟，其脉宽调制实现手段也从最初的模拟 电路发展到当今的微型计算机处理，脉宽调制技术在d c a c 变换器控制中起着越来 越重要的作用。而空间矢量调制是一种使输出电压的合成矢量沿预定轨迹旋转的控制 方法，控制高效，容易实现变换器的在线调压、直流利用率高，同时这种控制思想也 便于数字化实现【2 j 。 三相逆变器广泛地应用于交流传动、无功补偿等领域，它一般采用三个桥臂的结 构，可以给电机等三相线性平衡负载供电。对于特定应用场合电源系统( 航空电源、 u p s ) ，其三相负载是变化的( 包括对称和不对称变化、线性与非线性变化等) ，这 就要求输出具有中线，即要求三相四线输出。其通常的实现方案有如下几种：第一种 方案是将直流电容分解成两个电容串联，其电容间的连结点作为三相输出的共地端， 这种方法虽较容易实现，但直流利用率明显偏低，输出相电压峰值最高也只有直流母 线电压的一半【4 】；第二种方法是在输出端加入一个中点形成变压器，也可以满足三相 四线输出要求，且能保障较高的直流利用率，但此中点形成变压器增加了整个系统的 体积和重量，影响了系统效率1 1 0 j ；第三种方法就是在传统的三相桥式逆变器的基础上 增加一个桥臂用来形成中点( 见图2 1 ) 。 图2 - 1 ：四桥臂变换器电路图 由于第四桥臂的加入，在控制策略上必须相应的变化和改进，以使系统能达到输 出要求。已有一些文章对四桥臂的控制策略做了介绍，如采用双环控制的四桥臂三相 逆变器、采用二维s v m 控制的四桥臂三相逆变器【1 3 】【1 。7 l 等，其做法是将对前三个桥臂 仍然采用常规的三桥臂控制方案，而对第四桥臂单独控制，这些控制方法优点是保留 了二维控制简单的特点，实现简单，并且整个系统具有良好的性能。 本文提出一种三维空间矢量调制的四桥臂控制方案，把四个桥臂的开关控制用一 基于d s p 的三维空间矢量控制四桥臂逆变器研究 个电压综合矢量来拟合，在控制思想上比较直观：在实现途径上，这种控制方法可以 比较容易地移植到现有的数字变换器平台上；在系统要求上，变换器可以方便地实现 具有调压功能的三相四线输出，并且具有较高的直流利用率f 8 】；因此具有较好的发展 前景。 2 2 三维空间矢量调制控制 2 2 1 空间矢量调制 空间矢量调制( s v m ) 的最初目的是使电机获得圆形的旋转磁链【6 川”，现在s v m 已经发展成为一种和s p w m 并行的p w m 调制技术。实际上，s p w m 是基于时域面 积的等效【2 】1 3 l 而s v m 是基于空间旋转矢量的等效，空间矢量投影到a b c 坐标就变成 了时域信号，因此两种p w m 方式存在必然的联系，在一定条件下两者可以相互等效。 文献【3 】深入分析了规则采样s p w m 调制和s v m 调制之间的联系，认为典型的s v m 是一种在s p w m 的调制波中注入零序分量后进行规则采样的结果，文献【2 】给出了对 应s v m 的s p w m 实现方法。 调制是将调制波形离散化为含有调制波信息的高频数字脉冲的过程，滤波过程则 是一个解调和频谱搬移的过程。任意三相调制波形都可以转换为空间旋转的矢量。 s v m 的思想是：在矢量空间用有限的静止矢量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢量， 使合成的空间矢量含有调制波的信息。s v m 的调制过程是在矢量空间实现的，而 s p w m 则是在a b c 坐标下分相完成，两者本质上是一致的f j j o 在传统的三相变换器中，由于输出三相对称性，有x a + x b + x c = 0 ，因此可将时 间坐标a b c 轴转化为a 1 3 复平面坐标系。对于三相对称正弦输出信号，对应到复平面 的合成矢量，是沿着一个圆形轨道旋转运动。而三相变换器中总共有8 种开关状态， 对应8 个开关矢量，其中有两个零矢量。除了两个零矢量赡，6 个离散的电压矢量在 空间上两两互差6 0 0 ，六个电压空间矢量的顶点构成正六边形的顶点，零电压状态对 应的矢量位于六边形的中心。p w m 变换器的8 个静止矢量按一定的规律切换，可以 在矢量空间合成旋转的电压空间矢量，这就是三相s p w m 变换器的工作原理。因此 其空间矢量调制具体方法是：首先在一个输出周期内对运动轨迹进行一定次数的采 样，对于每一采样时刻的空间矢量，都能选取合适的开关矢量进行合成，从而保证最 终的合成矢量沿预定的圆形轨迹旋转1 5 j i ”j 。 无论是普通三相变换器上运用的二维空间矢量调制，还是针对四桥臂三相变换器 的三维空间矢量调制在控制思想上是都是一致的，首先根据负载情况确定合成空间矢 量的的运动轨迹；然后选择合适的相邻开关矢量进行合成。并计算出各自开关状态对 应的占空比；最后对选取的系列开关矢量按照一定顺序进行组合，即可生成对应矢量 调制的控制波形【6 j 【7 j 弘j 。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 2 三维空间开关矢量 对于三相四桥臂逆变器，因为输出负载可能不对称，所以不满足x a + x b + x c = 0 因此我们需将a b c 时间坐标转换到q b _ 丫三维空间坐标系，其转换关系见式2 - 1 。 非2 1 1 2 - 1 2 r 。 0 石2 4 5 2 i i 托 1 21 21 2 jl x 。 ( 2 一1 ) 在四桥臂变换器中，共有2 4 = 1 6 种开关状态( 见表2 2 ) ，为了方便说明我们对开关 状态作如下定义：设定某种状态为x a x b x c x n ，即x 从前至后依次表示a 、b 、c 、n 相桥臂开关情况，此外由于对于每一相桥臂，其上下两个功率管是互补开关，如果上 桥臂导通下桥臂断开则有x = p ( 表示输出为正) ；反之则有x = n ( 表示输出为负) 。例如， 如果开关状态为p p p n ，表示该时刻a 、b 、c 相桥臂上管导通下管断开，n 相桥臂下 管导通上管断开。 表2 - 2 ：四桥臂开关状态表 p p p p p p n pp n p pn p p pp n n p n p n p n n p pn n n p v a f000 一v g o - v g- v gv g v b f00 - v g 0 一v g o v gv g v c f o v g oo - v gv g o v g n n n nn n p n n p n n p n n nn p p n p n p n p p n np p p n v a fo0o v g 0 v gv gv g v b f00 v g 0 v g o v gv g v c f 0 v g 00 v gv g 0 v g 根据表2 - 2 ，可知十六种开关状态对应到各相桥臂的输出幅值，利用式2 1 ，将其 转换至* b 吖三维空间坐标系中，即可得到十六组开关矢量，表2 - 3 给出了各组开关 矢量在空间坐标中的轴坐标。 表2 - 3 ：转换至“一1 3 - r 三维坐标系的四桥臂开关状态表 p p p p p p n pp n p pn p p pp n n pn p n pn n p pn n n p v no ；冶；冶 一= 2 瞻 吾瞻一；瞻 一；瞻 0 jj v 1 3 o 去瞻 一上瞻 0o 去蹭一击瞻 o 压” v o一；冶一；瞻一；瞻一= 2 瞻 一；冶 一：2 增 v g jjj j n n n nn n p n n p n np n n nn p p np n p np p n n p p p n 基于d s p 的三维空间矢量控制四桥臂逆变器研究 v o 一：1 增一；瞻 詈冶 ；蹭；增 0 一妻蹭 jjj v 8 0 压”一击增去瞻 o 一j 一阳上妇 o0 压” v v0 ；增；增；瞻；增；瞻；瞻 v g 根据表2 3 中每组开关矢量的三维坐标，可以将所有十六组开关矢量在三维空间 坐标中描绘出来( 参见图2 - 4 ) 。从图中可以看出：这1 6 个空间矢量中包含二个零矢 ：垦( p p p p 和n n n n ) ，其余十四个非零空间矢量则构成了一个空间六棱柱8 1 。 图2 _ 4 ：四桥臂变换器开关矢量图 图2 5 给出了所有开关矢量在a b 平面内的投影，在图中开关矢量说明中，x 为 第四桥臂开关状态，代表了p 、n 两种状态，如p n n x 代表了p n n n 和p n n p 两个开 关矢量。从图中可以看出：在d 8 平面内，一共有六种非零矢量和两种零矢量，其中 六种非零矢量构成了一个正六边形，此投影与普通二维空间矢量调制中开关矢量图相 一致。因此我们可以认为三维空间矢量调制是在二维空间矢量调制基础上的扩展，其 理论推导方法相类似，同时二维空间矢量调制也是三维空间矢量调制的一种特殊情 况。 n n d x p n p x 图2 5 ：三维空间开关矢量在* d 平面上投影图 汐 哪 邶 砷 们 一 丫 t 7 丫 t y p l 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 3 稳态空间合成矢量运动轨迹 一般来说，空间合成矢量是由控制环的输出设定的，在稳态情况下，参考传统三 相逆变器的合成参考矢量以角速度在a d 平面匀速旋转，其轨迹为一个圆。 四桥臂变换器的空间合成矢量的运动轨迹是与负载情况密切相关的，为了便于分 析，通常我们首先将图2 1 主电路简化至图2 - 6 的平均电流模型【4 】，其中负载等效成 电流源，变换器三相输出可等效成三个压控电压源。如果我们得到三个压控电压源的 电压大小，然后利用坐标变换公式即可得到空间合成矢量的运动轨迹。所以解决问题 的关键就是求取对应不同负载时的变换器输出电压表达式 u a f ，u b f ，u c f 。 量之和 即： 茎 ： 煮 + 考 + 。必a 乙o 。：一2 ， 其中； 荔 = ； 1 寻； 篓 ；匮h 例 匮h 阱m 卢a 9 基于d s p 的三维空间矢量控制四桥臂逆变器研究 。萨矗。墙。归帆l 吐心c f 1 j = 【u c f t j 猁竿+ c d 2 丁g a g ) + v a g 删t 1 1 t t + 甜2 字) + v b g 工( d 堕+ c d 2 辈) + v c g ff 图2 - 6 ( a ) a 相正序分量等效图( 2 3 ) 由于v a g 、v b g 、v c g 为所要输出的三相电压，理论上是三相对称的，故而不 含负序和零序分量，零序电流分量全由中线通过，所以中线电流得大小为三倍的零序 电流，所以在单相回路中中线电感等效为3 l n ，可得等效图2 - 6 ( b ) 、( c ) 由图可 以求出变换器输出的负序分量和零序分量： l v 粤，岛t c 图2 - 6 ( b ) a 相负序分量等效图 翮出 l 【j d 丝 f d 生 l d 垒 t ( 2 4 ) 褂刎 d 丝 f d 堕 f d 鱼 f 剐驯洲荔 沪6 ) 根据以上公式，设v 。为额定输出电压的幅值，。，。为输出电流的幅值， l 、c 为输出电感、o g 容f f i ，l 。为中点电感感值，0 3 为输出角频率，0 。、0 。、敏，分 称设g = c o s ( ( o z ) ，g = v c o s ( o ) t - - 等) ，= v , 。c o s + - t ) ；n p d m a t l a b 南京航空航天大学硕士学位论文 ( - 一c 砌2 ) 忡如f ) _ ；趔渊引) 毛槲耐+ 裂删甜一净 ( 1 - c l o j 2 ) 肼抄，) + 誓趔，“呱甜+ 等) _ 必，( 耐一等) 】 一；叫洲引) + 跚耐+ 争+ 蹦耐一等) 】+ 峨卜一；k 一；u s 以+ 譬( b k 肪酬 ( 2 7 ) 式2 - 8 给出了任意负载情况下合成空间矢量表达式，可以看出，式( 2 7 ) 是( 2 。8 ) 在吼、0 。、o c 均为零时的特例。 o - c 扩) c 缸。f ) 一；碰i ，。肼，( 。f + 只) 一l l s u s i v ( a t + 了d r + 岛) 一：，。s h 耐一了d r + 岛) 】 = 10 c 山m ：) 蹦m f ) + 誓州，。口砸+ 等+ 岛) 一跚耐一了2 , - r + 0 0 一；( l + 3 l n ) c o 1 。s i r ( f + 只) + l n m s i r ( a t + 了d r + 岛) + & ”s i r ( c c t 一了2 x + 岛) 】 ( 2 8 ) 由以上的公式可以看出，y 轴分量只与三相输出电流有关。另外，在将式2 - 6 运 用公式2 1 变换为合成空间矢量式的过程中可以发现，由于正序和负序的三相电压矢 量和为0 ，合成参考矢量在y 轴的分量是由零序电压唯一决定的。正序和负序电流分 量不影响输出电压的对称性。可以认为，当负载电流不对称时，由零序电压分量引起 零序电流使合成空间矢量的运动轨迹由平面转为空间。而合成矢量在a 1 3 平面的投影 由正序和负序参考电压决定，在三相负载对称情况下，合成矢量在a b 平面的投影为一 个圆，而在不对称情况下，为一椭圆，其长轴长度等于式2 3 计算得到的正序分量与 式2 - 4 计算得到的负序分量之和，而短轴长度为二者之差，如图2 - 7 所示。 对称负载下参考矢量轨迹投髟 不对称负载下参考矢量轨迹投影 图2 7 合成矢量在q - b 平面的投影 在本文第3 章中，将以m a t l a b 为工具，详细讨论不同负载情况下的空间矢量 运动情况和相应的变换器特性。 为简化考虑，作为特例，式2 - 9 给出了三相对称额定阻性负载情况下的合成空间 矢量表达式( 负载对称时电流用，。表示) 。 芦l 基于d s p 的三维空间矢量控制四桥臂逆变器研究 v a i ( 1 一c l c 0 2 ) c o s ( c o ，) - l u l 协s i n ( c o f ) l f 咿f - f ( i c l 2 ) s i n ( c o t ) + k l c o s ( c o t ) i ( 2 - - 9 ) l v 7 jl 0 j 而式2 1 0 是1 3 不对称输出条件下( i c = i m ，3 ，i a = i b = 0 ) 空间矢量表达式，其中v m 、 i m 分别为额定输出电压、电流的最大值。 料 ( 1 - c l c o 2 ) ( 州) + ；11 。小渤( 州+ 等) ( 1 - c 三脚2 ) 跏( 棚- ，) + i 11 ，l c o s i n ( c o f a r c t g x 3 )n 一弓11 。m + 3 l 畛缈侧c o l + 争 ( 2 1 0 ) 根据式2 - 9 ，式2 1 0 就可以绘制出四桥臂空问合成矢量的运动轨迹( 见图2 - 8 ) 以及空间轨迹在n b 平面内的投影，当输出接三相对称负载时，我们可以看出其空间 合成矢量是在旺一b 平面内沿一圆形轨道旋转，其t 轴分量始终为零；当输出接不对称 负载时( 如1 3 不对称情况) ，其运动轨迹为空间歪斜椭圆。 口 6 3 v 轴口 3 b 图2 - 8 ：空间合成矢量在不同负载下的运动轨迹 2 2 4 三维空间矢量调制控制方案 在二维空间矢量调制中，由于六个非零开关向量在a b 平面内构成等边六边形， 而其合成空间矢量是沿着位于六边形内部的圆形轨道均速旋转。为了减小开关损耗和 开关电流纹波，通常的实现方法是将六边形分解成六个三角形，每个三角形由两个相 邻开关矢量和两个零矢量组成，通过判断采样时刻的合成空间矢量位于哪个三角形内 部，即可选择合适的开关矢量进行合成【1 5 1 ”1 。 三维空间矢量调制原理上和二维空间矢量调制相类似，由于其合成空间矢量是在 三维空间内运动，所以是选择三个相邻的开关矢量进行合成。为了选择正确的开关矢 量，我们首先将开关矢量构成的六棱柱分解为六个空间三棱柱，每个三棱柱均由六个 非零开关矢量和两个零矢量构成，投影至a 1 3 平面内即为夹角为6 0 度的等腰三角形。 南京航空航天大学硕士学位论文 根据、b 轴的坐标就可以确定合成矢量所在的三棱柱，这一点和二维空间矢量的开 关矢量选取是一样的。然后我们再将每个空间三棱柱分解为四个空间四面体，每个四 面体均由三个相邻的开关矢量和两个零矢量组成( 见图2 9 1 。这些空间四面体则是用 来对三维空间矢量进行选择合成的判断依据，即对于任何一个空间矢量而言，首先判 断其是位于哪一个空间四面体内，在知道其所归属的四面体后，组成该空间四面体的 三个非零开关矢量和两个零开关矢量即是我们用来合成所需空间矢量的开关矢量。判 断空间四面体是根据当前合成矢量对应在a b e 坐标系中的坐标值，以图2 - 9 为例，如 果当前的v 。、v b 、v 。都大于等于0 ，则合成空间矢量位于图( a ) 所示的四面体中， 同理，如果v 。、v b 都大于等于0 ，而v 。小于等于0 ，则合成空间矢量位于图( b ) 所示的四面体中，依此类推。在确定了所在三棱柱之后，其四面体关系也可以得到唯 一确定。 图2 9 ：空间三棱柱分解成四个空间四面体 根据以上分析，对于任意时刻的合成开关矢量，只要我们确定了其所在的空间四 面体，即可确定用来合成的三个相邻的开关矢量，对于这些相邻的三个开关矢量，彼 此间仅有一相开关状态相异，即v 1 中仅有一相桥臂负极性输出，v 2 中有两相桥臂负 极性输出，v 3 中有三相桥臂负极性输出。在最后合成的四相开关控制波形中，每次 开关状态发生改变，仅有一相桥臂的开关状态发生变化，其它三相开关状态维持不变， 从而有效地减小了功率管开关频率，减小了开关电流应力。 此外，根据空间合成原理，我j f f h p 可得到开关矢量的占空比计算公式： iv i 。v 2 。v 3 。lid il 圪l lv 1 ，v 2 ，v 3 ，畋| _ l i 一1 1 ) l v l ，v 2 ，v 3 ，jl 也j 【j 或= l d l 一如一d 3 在上式中，v 为合成空间矢量，v 1 ，v 2 ，v 3 为用来合成的三个相邻开关矢量， 其下标表示在空间坐标中各轴投影值。d l 、d 2 、d 3 分别表示在特定的采样周期化) 内 基于d s p 的三维空间矢量控制四桥臂逆变器研究 雕吲2 a 嫩2 嗡- 1 ? 2 甜- 1 2 雕0 城戆荔 i；=，堇r2vg：寿32v等91733一1f誊1 2 1 3 ) l 以jl 增ji l 2 2 5 开关矢量的排列方式 当计算出各自合成开关矢量的占空比后，由于零矢量的选择以及各自开关矢量 的开关顺序选择的不同，其最终生成的四相开关控制信号也会不同【9 l 。一般有以下几 种排列方式，即l 、常规的s v m 调制，即一个扇区内使用两种零矢量，开关矢量对 称排列；2 、单一零矢量s v m ，即在每个扇区只插入一种零矢量，且对称分布。3 、 分区零矢量s v m ，即在不同的区域，插入不同种类的零矢量，轮流使用两种零矢量 的排列【l l 】。 常规s v m 调制在一个调制周期同时插入两种零矢量，将t o 平均分配给两个零矢 量这种方式的优点是输出电压谐波较小，但如果在一个调制周期中只插入一种零矢 量，开关动作次数将得以减少，由于开关损耗与正开关的电流最大值近似成比例关系， 损耗也相应减小，这也是后两种调制方式的目的。分区零矢量s v m 一般以保证最高 相电流桥臂不开关为原则，这种方案的具体做法是通过检测电流，判断得到当前电流 最大的桥臂，则选择使该桥臂本采样周期不动作的零矢量，只使用一种零矢量，有利 于减小开关损耗，提高效率，但随之而来的半采样频率的谐波分量将大大增加。 我们采用常规的s v m 调制，即对称调制方法。零矢量为e p p p p 和 m 卟矾 的等量合成，其导通时间各占零矢量的一半，一个控制周期中改变8 次开关矢量，由 于开关矢量的对称排列，故而理论上可以使t h d 最小。在这里，我们仍以图2 - 9 ( a 1 中所示空间四面体合成为例，作出在一个控制周期t s 内四相开关信号( 如图2 1 0 ) 。由 于用来合成的三个开关矢量是彼此相邻的，所以在一个控制周期内每相功率管均开关 一次。控制周期直接由空间运动轨迹的采样次数决定，如果我们在一个输出周期内对 空间轨迹采样及计算2 5 次，则t s = 2 5 0 0 2 5 = 1 0 0 us ，功率管开关频率 南京航空航天大学硕士学位论文 f s = 4 0 0 2 5 = 1 0 k h z 。 1 p i p l p i p 1 n i p i p i p j p ：，p ：，p ：，p：，p sn r f l ；i 广f 一 。一 jliiii i d0 4 ld 1 2 id2 2i d3 2 i d0 2 l d3 2 l a2 2l d 1 2 l d0 4i 图2 - 1 0 ：对应空间矢量合成的控制信号图 2 3 三维空间矢量控制实现变换器调压 和常规开关点预置等变速恒频电源变换器控制方案相比，s v m 调制的最大优点 就在于可以进行调压，动态性能好。通常我们所说的调压包括两种情况：第一种情况 是指在输入电压恒定，负载变化的条件下实现输出电压的调节；第二种情况是指在输 入电压变化的情况下实现输出电压的恒定。在变速恒频电源变换器，其变换器的调压 属于第二种情况，即变换器的输入直流电压是在一定范围内连续变化，要求变换器的 输出恒频交流电压维持l1 5 v 恒定不变。 根据空间矢量合成原理，采用三维空间矢量调制的四桥臂变换器最终不仅能实现 所要求的三相四线输出要求，而且还能实现变换器线性调压要求。这里我们以三相对 称额定负载输出情况为例进行说明，其空间合成矢量的运动轨迹是位于a b 平面内的 圆，参考图2 5 ，该圆的半径则由具体的直流输入电压的大小决定。如果变换器在某 一大小的直流电压输入情况下实现了1 1 5 v 要求的交流输出，假定空间合成矢量运动 轨迹圆的半径对应为r 1 ，在某时刻变换器的直流输入电压突然升高，这时如果仍要 维持输出不变，则必然要求空间合成矢量的圆形运动轨迹的半径减小，当我们对合成 圆的半径从r l 初始值线性减小调节，由于半径的调节是线性连续的，因此我们总能 找到一个新的半径值r 2 r i ，实现在新的输入条件下输出电压仍维持11 5 v 。 从上述讨论可知，当输入电压发生变化，要维持输出稳定，需对合成空间矢量的 运动轨迹圆的半径进行调节，而电压空间矢量的合成是在空间四面体内由三个开关矢 量进行线性组合而成，因此轨迹圆半径的线性变化也就转换成用来合成的三个非零开 关矢量占空比的线性变化【l 卯。举例说明：如果调节轨迹圆半径为原值的8 0 ，且对 应采样时刻保持不变，则各个空间合成矢量的角度与原有的保持相同，仅是长度变化 至原有的8 0 ，因此对于每个采样时刻，用来合成的非零开关矢量的选择是一致，只 是将各自占空比d 1 、d 2 、d 3 三个值变化至原有的8 0 ，确定了新的d 1 、d 2 、d 3 值后， 基于d s p 的三维空间矢量控制四桥臂逆变器研究 根据d 0 = 1 d 1 d 2 d 3 就可求出零矢量的占空比，这样就最终确定了新的开关控制波形， 从而使轨迹圆半径变化至原有的8 0 。 根据以上所分析的比例线性调节方法，对于对称负载情况，根据空间矢量控制理 论只用计算出一组开关控制波形，如果输入直流电压发生变化，并不用重新计算，而 只需线性调节各个非零开关矢量的占空比，进而生成新的控制波形，其计算量要求大 大减少，因此这种算法可以方便地利用d s p 数字变换器平台得以实现，实验证明了 此种电压调节的控制策略不仅能够正确地进行变换器调压，而且充分节省了系统计算 资源，具有较好的实时性。具体到d s p 控制程序，首先根据空间矢量