空间电压矢量PWM的实现.doc

上海大学微电子中心空间电压矢量PWM的实现叶国平 吴耿锋 严伟（上海大学计算机工程与科学学院,上海 200072）摘要： 本文主要论述了空间矢量PWM的原理和应用系统，还讲述了SVPWM波形发生器的设计方法。关键词： SVPWM；设计中图分类号:TM301.2文献标识码:Realization of Voltage Space Vector PWMYE Guoping , WU Gengfeng , YAN Wei(Computer Engineering Science, shanghai University，Shanghai ,200072)Abstract：The text discussed primarily principle and applied system of the SVPWM, and discussed design of SVPWM wave generator.Key words： SVPWM；design;PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在BBC评论上提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。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在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人们研究的热点。11、应用系统基本结构变频器的基本构成如图1所示，包括整流，滤波，逆变和控制回路组成3。主 回 路速度检测器电源 控制指令 DSP芯片转速检测回路电压/电流检出回路PWM生成及驱动运算回路 运行指令图1 变频器基本结构1 1主回路 给异步电动机提供调频调压电源的电力交换部分，称为主回路。它由三部分组成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。1 2控制回路的构成控制回路向变频器主回路提供各种控制信号，由以下部分组成：决定F特性的频率电压“运算回路”；主回路的“电压电流检测回路”；电动机的“转速检测回路”；根据运算回路的结果生成相应的PWM脉冲并进行隔离和放大的“保护回路”。在控制回路中，DSP是控制的核心，检测电路检测到直流母线电压和定子电流模拟量后，通过DSP内部的ADC转换成数字量，计算出定子磁通、转矩反馈、机械转速等数字量，通过闭环控制最终获得空间电压矢量。1 3直流转矩控制变频1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(DirectTorqueControl简称DTC)。DTC是交流传动领域电机控制方式的一次革命，它从零速开始不使用电机轴上的脉冲码盘反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。在DTC中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量。高速数字信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新40,000次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味着传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。2、 空间矢量PWM原理在众多中,和最具代表性。是利用三角载波与正弦调制波进行比较得到的,适合于模拟电路实现,其最大不足是对直流电压利用率低。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思想,进而发展产生了电压空间矢量4,其物理概念清晰,算法简单,适合于数字实现。比对直流电压利用率高15.47%5。根据逆变器各桥臂开关状态的不同,可以得到8个基本电压矢量,包括6个非零电压矢量和2个零电压矢量.这8个矢量称为基本空间电压矢量并记作0,60,120,180,240,300,000和111.图2给出了基本空间电压矢量和所需的电机电压矢量在 平面上的投影.图2基本空间矢量及在 平面上的投影方法的目的是通过与6个开关管的8种开关状态相应的基本空间电压矢量来逼近电机所需的电压向量.一般的实现方法是在一个周期内使逆变器输出电压的平均值和相等.如果很小,在周期内. 使的变化很小,则具体的实现方程为:*=1+260+0(000 or 111)；式中,1,2为所在区域的两相邻非零基本空间电压矢量和60对应开关管导通状态的时间;0为插入的零基本空间矢量000或111的时间,同时有1+2+0=成立.3、SVPWM数字电路设计31 结构简要框图比较单元计数器 PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6 SVPWM状态机获得对称的三角波形比较逻辑比较单元周期寄存器图3 简单流程图可增/减计数器在控制寄存器和周期寄存器的作用下，获得周期性对称的三角波，并不断地与比较单元的比较寄存器比较，产生比较匹配，从而输出基本波形。接着在状态机的作用下，最终获得SVPWM的六路输出。2SVPWM状态机的基本原理或非 基本波形输出(比较单元1) control_1或非 control_2 基本波形输出(比较单元2) control_3 图4 控制信号的产生 空间矢量化利用的是比较单元1和2的比较匹配信号,以上逻辑可获得三个控制信号(如下图),三个信号都是高有效, 而且有效时间不相互重叠 分别用于空间矢量PWM波形产生的三个阶段: control_2 control_3control_1图5 控制信号波形与 非 CTR14：12 与门 Control_1 矢量旋转状态机 与 非PWM输出 CTR15:12 Control_2判 断逻 辑 PWM1 与 非 PWM3 PWM5 Control_3图6 空间矢量PWM波形产生控制寄存器CTR: 15: 空间矢量PWM旋转方向0=正向 1=反向 14:12: 基本的空间矢量位一个周期的流程: 周期开始: control_1=1, 直接输出CTR14:13,基本的空间矢量位.增计数的第一个比较匹配: control_2=1, 根据旋转方向位和基本空间矢量位将PWM输出开启到另一个方式(见上图). 增计数的第二个比较匹配: control_3=1, PWM输出为000或111,它们与输入的PWM5 PWM3 PWM1只有一位的区别. 减计数的第一个比较匹配: control_2=1, PWM回到前一种开启方式.减计数的第二个比较匹配: control_1=1, ACTR14:13,基本的空间矢量位.周期结束.最后获得的SVPWM波形如下： 4 结束语生成PWM脉冲的方法有很多，大致可以分为两种：第一类是完全由模拟电路生成，第二类是由专用数字集成电路生成。模拟电路方法通常是由正弦波调制三角波比较产生,这种方法原理简单而且直观,但也有很大的缺点:正弦调制波和三角载波由硬件电路生成,硬件开销大,系统可靠性降低;受温漂和时漂的影响大;难以实现最优化PWM控制;当输出频率低,调制深度很小时,信号噪声比相对增大,此时上述噪声干扰问题更加明显,输出频率精度越来越低等.所以在微处理机控制中基本不用.数字控制具有柔软性好、设计容易、防干扰、抗老化强、监控和故障诊断方便、可实现在线自动调整等诸多优点,随着集成电路技术和计算机技术的发展,传统的模拟PWM已被大规模集成电路所代替,从而导致了各种各样数字化PWM方案的出现2.随着电力电子器件和微处理器的发展,逆变器在电气传动中得到了越来越广泛的应用。如何确定逆变器件的开关时间,有许多不同的技术,如应用较多的及相对较新的空间电压矢量()等。而在众多的脉宽调制技术中,空间电压矢量(或称)是一种优化的技术,能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电动机的谐波损耗,降低脉冲转矩,且其控制简单,数字化实现方便,电压利用率高,已有取代传统的趋势。本文根据SVPWM的产生机制和外部特性阐述了一种SVPWM脉冲电路的设计方法. 参考文献1 李永东. 变频电路系统化分析理论. 中国自动化学会. 全国第一届交流调速学术会议论文集 1994.8：120131。2 宋孔德、胡广书. 数字信号处理. 清华大学出版社 1998.5：1535。3 陈国呈. PWM变频调速及软开关电力交换技术. 机械工业出版社 2001.4：16264 Murai Y., Ohashi K. New PWM