变频器SVPWM控制系统设计及仿真毕业设计

1、 毕业设计(论文)课 题 名 称 变频器SVPWM控制系统设计及仿真 学 生 姓 名 汤斌 学 号 1341202078 系、年级专业 电气工程系、13级自动化 指 导 教 师 林立 职 称 教授 2017年5月18日摘要随着电力电子器件和微处理器芯片的发展，使得数字化变频调速技术成为当代电机控制技术的趋势。传统的SPWM控制算法未顾及输出电流波形，不易于数字化。所以需要更进一步的控制算法，来使电机产生恒定转矩，于是便产生电压空间矢量PWM(Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM)控制算法。变频器SVPWM控制系统就是利用该算法的来对异步电机实行

2、控制的，它的输出谐波小，也使得直流侧的电压利用率提升了15%。本课题变频器的控制芯片是TMS320F2812DSP，采用SVPWM调制技术，产生PWM波形，并对6个IGBT的通断进行控制，从而在电机空间产生圆形旋转磁场，使电机产生恒定转矩。本文最后一章还使用MATLAB /SIMULINK对变频器SVPWM进行仿真分析，仿真结果进一步验证了变频器SVPWM算法的可行性和正确性。关键词：变频器；SVPWM；异步电机；MATLAB/SIMULINK仿真IAbstractWith the development of power electronic devices and microproc es

3、sor chips, digital frequency conversion technology has become the trend of modern motor control technology. The traditional SPWM control algorithm does not take into account the output current waveform, not easy to digitize. Therefore, the need for further control algorithms, so that the motor gener

4、ates a constant torque, so it will produce a voltage space vector PWM (Space Vector Pulse Width, SVPWM). Inverter SVPWM control system is the use of the algorithm to control the motor, its output harmonic is small, but also makes the DC side voltage utilization increased by 15%.The inverter control

5、chip is TMS320F2812DSP, using SVPWM modulation technology, PWM waveform, and the 6 IGBT on-off control, resulting in a circular rotating magnetic field in motor space, makes the motor produce constant torque. In the last chapter of this paper, MATLAB /SIMULINK is used to simulate the frequency conve

6、rter SVPWM, and the simulation results verify the feasibility and correctness of the SVPWM algorithm.Keywords: inverter;Space Vector Pulse Width Modulation;Asynchronous motor;simulationII目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 变频器SVPWM的发展现状和趋势31.3 课题研究要求及任务61.4 论文的主要内容72 变频器SVPWM控制系统结构及原理82.1 变频器SVPWM

7、控制系统结构82.2 变频器SVPWM基本原理102.3 变频器SVPWM法则推导122.4 变频器SVPWM控制算法143 变频器SVPWM控制系统设计223.1 总体设计223.2 主电路设计223.3 驱动电路设计243.4 控制电路设计263.5 软件设计284 变频器SVPWM控制系统建模仿真及结果分析294.1 系统仿真模型的建立294.2 系统仿真结果分析34总结38参考文献39致谢40邵阳学院毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题研究背景及意义在当今工业社会，能源的有效利用一直是科学研究的重要方向，这关乎与我们的可持续发展，因此，节能研究就显得越来越重要。随着电动机制造技术的进步

8、，电机越来越多的被应用在工业生产、农业生产、科技研究、国防各方面，作为主要的动力设备。从世界范围来看，电机的用电量超过全球各国总用电量的一半以上，约占工业用电量的70%，如此之高的一个比例数量，如能提高用电效率，优化电机控制算法，将具有十分重大的意义。使异步电机和变频器相结合，所组成的交流调速系统具备非常高控制性能。如果能够对电机的调速控制容易实现。那么对电机的高效性并且连续，启动、运行和停止的高频性也就容易实现。在上个世纪，由于电力电子器件的限制，电机控制技术的不成熟。对电机实施高性能控制就很难实现，即便能提高性能，从经济上来说也不划算。更无法大范围的推广此项技术，被人所接受。所以在控制要求

9、高的地方，或是精确调速要求的地方就不会出现异步电机。后来，随着电力电子技术的发展，半导体全控型器件进一步发展，这使得对电机的调速可以实现数字化，对其控制精度也大大的提高。于是使得异步电动在工业上被慢慢应用。同时这些半导体器件的出现，也使得电机的控制系统大大简化。性能更高、更可靠、而且经济，这就在很大程度上促使了对异步电机的高性能变频调速的发展。同时，随着微电子技术的发展，微控制器芯片的推陈出新，结合功率半导体装置和数字控制技术，使变频器的控制更加稳定，所产生的波形更标准，以前不能实现的SVPWM电机控制方法也能实现。现在可以使用变频器SVPWM控制技术来对电动机进行控制，进而满足对电机在工业中

10、的要求，节能与转矩脉动小，具有很高的控制精度。所以对变频器SVPWM控制技术进行深入研究很有必要，它所在工业控制中所发挥着的作用是不可忽视的。我国是一个工业大国，使用电动机对生产机械进行传动是不可或缺的，一些大型的钢厂、制造业加工厂更加如此，电动机也被广泛应用在生活中，比如我们学校随处可见的电动车，电梯等等驱动传动设备，还有其他社会应用方面。正因为电动机具有重要的应用，所以我们国家对于它的发展和控制处于高度重视状态。在电气传动实际应用中，运用电动机作为动力来源，给各类生产机械提供原始动力，实现这些要求的同时，我们还需要对其控制精度，性能做出要求，使其既能实现我们的目的，又具有稳定、节能、高精确

11、性的特点，这在以前的实现中还是具有问题的。然而，在还没有变频器的年代，使用的电机基本上都是直流电机，对其调速方法主要是调节它的电枢供电电压的恒转矩调速、改变电机的主磁通，实现无级平滑调速、改变电枢回路电阻，进行电枢回路外串电阻的有级调速。而后来不一样，变频器的出现与应用，大大简化了此前的繁杂操作，并且减小了设备体积，大幅度的减少维修次数，使得操作更加简单和安全。SVPWM技术一出现，就被应用在变频器中。交-直-交中的最后一个逆变环节，SVPWM算法对三相逆变器控制产生PWM波，进行电机调速，这种调速方式是基于电动机气隙的旋转磁场。产生旋转磁场的上一步是使电机的定子上具有三相对称电压，电压与旋转

12、磁场的方向相互垂直，逆推SVPWM方法，是根据参考电压的大小，来计算所需合成的电压所在区间，利用最近的基本电压矢量对其进行平行四边形法则矢量合成，利用公式计算出基本电压矢量的作用时间，根据产生圆形电压空间矢量的原理，防止过调试，使得电压矢量不超调，还需计算出零矢量的作用时间，总的时间电压积分与参考电压积分相等，在优化逆变器的开关顺序，使遵循每个周期开关相等的原则，产生固定的开关顺序，并且尽可能的选择每次变换只改动一个开关的状态，此时所产生的PWM波用来驱动全控型器件，从而实现SVPWM控制。SVPWM控制方法具有更宽的线性调制范围，因为产生的磁链圆是逼近圆形的，可以十分明显地减少谐波成分，使得

13、转矩脉动明显减小，具有更高的直流电压利用率。况且SVPWM的控制方法简单、容易实现数字化，这就使得该控制方法被广泛的应用在交流调速中。采用不同的开关顺序还可以最大限度的降低开关损耗，SVPWM控制方法还能够解决压频比的矛盾。正是因为SVPWM控制算法的具有以上优点，所以本课题的应用有现实意义使得本课题的研究具有现实意义。变频器控制的优点：（1）对电机的调速当采用变频器进行控制后，能大大减少能量的损耗，尤其是风机、泵类负载，对电能的节约可提高20%60%，如此高的节电率是由于风机的功率与其转速的三次方成正比关系。所以，这个节能是巨大的。由于在实际生产之中，我们应用的此类负载很多，所以在这类负载应

14、用中意义十分明显。（2）变频器调速在电动机启动、运行、停止方面具有明显的调速优势，通过编程改变其逆变器的开关状态，就可以调节输出电压，对电机实施控制。改变其逆变单元的开关管的导通顺序，就可以对输出换相。一般通过变频器启动进行，大部分是从低速开始的，所以其加速减速控制都很平稳，可以进行高频率的启动控制。使用变频器制动的时候，变频器能够使用内部电路将电能回馈电网或是内部电阻进行消耗。当对电机进行制动时，变频器将会直接给电机加压制动，无需外接制动电路进行制动。（3）能够提高工艺水平和产品质量，变频调速是可以在零电压的时候对电机进行启动，当其进行稳定运行之后，变频器是能够按照压频比不变来带动负载运行，

15、这样可以充分减小启动电流，提高绕组的使用寿命，可以减少维修费用，同时变频器进行集成，也大大减小了控制器的体积。我国的可持续发展政策离不开环境与能源的相互协调，正因为这变频调速技术的高速发展，使得我们告别了传统的粗放型经济体质，放眼全世界，能源和环境的现状，各个国家越来越重视能源、环境和发展的三位一体，协同发展。而此时，变频器对电机调速正好与此切合，各种高性能的电机控制方法得以发挥，满足了，对节电节能，增加系统稳定性和保护电机，减少转矩的波动起到积极的作用，因此，变频器SVPWM控制技术具有广阔的应用发展前景。1.2 变频器SVPWM的发展现状和趋势“我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力

16、仍然落后于发达国家。随着改革开放，经济高速发展，我国引进了很多最先进的产品。国内许多合资公司已能生产当今国际上最先进的变频调速产品，并对它进行应用软件的开发，为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统1”。在变频调速领域，我国虽然取得了很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对外国公司的依耐性仍较为严重。我国电气传动与变频技术的发展应用如表1-1所示：交流变频调速行业在中国兴起了二十几年，随着我国工业的进步，它的市场容量正逐年的在增长，最近几年的低压、中压、高压变频器市场容量超过160亿元，国内外总计投资的品牌有超过140个，这其中，外资品牌占比不超过30%，但是它的市场份额

17、却有75%之多，可见我国自主的变频器品牌要发展与应用还有相当长的路要走，任重而道远。当前的交流变频调速行业已经初具规模，变成产业化，具相关从业人员分析，我国市场上的变频器预计将在以后十年之内饱和。“在低压变频器广泛应用的今天，交流变频调速传动系统已在市场中占有相当大的比例了，它的性能要更优于直流机械调速2”。表1-1 我国变频调速技术发展简史技术特征应用年代带电机扩大机的发电机-电机机组传动20世纪50年代初期70年代中期汞弧整流器供电的直流调速传动20世纪50年代后期60年代中期磁放大器励磁的发电机-电机机组传动20世纪60年代初期70年代中期晶闸管变流器励磁的发电机-电机机组20世纪60年

18、代后期70年代后期晶闸管变流器供电直流调速传动20世纪70年代初期现在饱和磁放大器供电的交流调速传动20世纪60年代初期60年代后期静止串级调速交流调速传动20世纪70年代中期现在循环变流器供电的交流变频调速传动20世纪80年代后期现在电压电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动20世纪80年代初期现在BJT(IGBT)PWM逆变器供电的交流变频调速传动20世纪90年代初期现在变频器的体积特别小、振动小、噪声小、它对异步电机的控制具有良好的调速性能。异步电机还具有制造购买低成本，且投入运行是更容易维护特点。从工艺设计复杂度大大简化，投资成本也大大减小。总的来说，使用变频器对电机进行调速控制大大

19、提高了电机性能，使其运行更符合工业生产期望，生产质量大大提高，并且改善了工业的生产环境，也使得机械设备的自动化程度更高，“与此同时，还为我们节约能源和降低企业生产成本做出很大的贡献3”。随着全控型快速半导体的发展，使用PWM脉宽调制技术作为控制方法已越来越普遍，并且在传统的PWM调制方法上面对电机的控制更进一步。PWM调制即产生PWM波（幅值相等而宽度不等的脉冲），对逆变器进行控制，当信号较小时，还需外加驱动器，对信号进行放大，控制开关管子的通断，提供对电机控制调速所需的电压。使用一定的调制方法，对不同波形进行调制，使实际施加的电压作用积分的面积相等，通过此种方法对脉冲的宽度进行调制，“就可以

20、改变逆变电路实际输出电压值。同时，也可改通过改变波形的周期来实现4”。PWM调速控制方法具有调节电压，对谐波进行抑制的作用，也正因为PWM波形调制方法能够使产生的脉冲接近正弦波，并且其控制方法输入因素高。因此对电机来说，要高性能调速，使用PWM波形控制方法就能实现。结合现代电力电子技术，将之与变频器相结合，便能大大简化控制控制电路，并且还能够改善电机控制性能。所以，综合以上分析，PWM技术具备如此多的优点，对其研究就非常有现实意义。如图1.1所示，脉宽调制方法的分类如下：脉宽调制方法输出电压极性按调制信号调制按开关频率单极性PWM双极性PWM矩形波PWM正弦波PWM同频波倍频波图1.1 脉宽调

21、制方法分类变频器SVPWM调速技术是一种综合性技术，其包括变频器部分，实施大能量的转化，PWM波形的调制逆变部分，整流和逆变产生波形，对电动机进行控制。变频器将电网侧的交流电变换成直流电，然后进行逆变，控制方法是通过电力半导体开关管来实现的，变频器变换有两种方法，第一种是交流直接变成另一频率的交流电，还有一种是交直交，正因为它有这种变换功能，所以变频器是作为一种驱动系统，应用中通常通过改变压频比来实现电机的平滑调速。PWM是英文Pulse Width Modulation脉冲宽度调制的缩写，按一定的调制波形方法，“有规律地改变脉冲的宽度，使其具有正弦电压同样面积大小，从而对电路进行控制5”。S

22、VPWM是电压空间矢量控制技术，它通过六个功率开关元件的逆变器，使用特殊的开关组合状态来调节脉宽波形，从而使电机定子绕组得到三相电压，产生旋转磁场，因为磁场于电压在空间中是相互垂直的，所以又称为磁链跟踪技术。这项技术是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。正由于变频器能够使得电机的调速和制动性能提高，并且节约电网电能，还能改善功率因素，以及SVPWM技术使得直流侧电压的利用率提高15%，使用变频器也能让控制方法数字化，大大简化了控制应用得复杂性。“目前变频器SVPWM控制技术已经成为发展的趋势，并且发展的比较成熟，对这种经济合理的电机调速系统的继续研究也是当今的重

23、大课题6”。1.3 课题研究要求及任务目前社会资源短缺，作为主要能源的电能的产生需要消耗一些不可再生能源，例如火力发电的煤，所以，如果我们能在电能的利用上更加高效，这对能源对可持续发展都具有十分重大的意义。所以本文着手于SVPWM高性能控制算法，来设计变频器SVPWM控制系统，实现节能和具有良好控制性能的电机的要求。本课题的设计基本要求如下：（1）分析变频器SVPWM控制系统的基本结构和工作原理；（2）设计变频器SVPWM控制系统的硬件电路（包括主电路、驱动电路、控制电路），完成器件选型；（3）建立整个系统的仿真模型，并调试通过；（4）论文书写规范、文字通畅、图标清晰、结论明确；（5）论文字数

24、在1.5万字左右，按进度表完成设计。1.4 论文的主要内容通过查阅大量的参考文献，并对变频器SVPWM的原理进行深入分析，本文有以下内容：第1章主要是对变频器SVPWM控制技术的背景分析以及这项技术对社会发展和能源节约的意义。还介绍了我国变频调速技术的发展历史和发展现状，变频器SVPWM控制技术以后的发展趋势。第2章主要介绍变频器SVPWM控制系统的原理，其中包括对变频器SVPWM基本原理、法则推导、控制算法、物理意义的详细分析。第3章主要内容是对变频器SVPWM控制系统的主电路，控制电路，驱动电路的介绍。第4章使用仿真软件搭建SVPWM控制模块，然后进行参数的设定，检测各部分是否算法正确，积

25、分环节，反馈环节；最后分析仿真结果，验证该控制算法的可行性。25邵阳学院毕业设计（论文）2 变频器SVPWM控制系统结构及原理2.1 变频器SVPWM控制系统结构“变频器就是将固定频率的交流电转变成频率可调的灵异交流电的转换装置，根据其调速方式中间过程的差异，可将其分为交交变频和交直交变频7”。本系统设计中所用到的是交直交变频调速，所以在本文中将对其变换方法进行详细讲解。交-直-交变频器是先对输入变频器的电压进行整流成直流电，直流环节作为它的中间环节，再通过其内部的逆变电路将直流电变成交流电。如图2.1所示，其流程便是变频器变换电压的主要原理，该图存在中间直流环节，所以交直交变频也称为间接变频

26、。变频器的内部电路还包括整流电路，滤波电路，逆变电路，制动电路，驱动电路，检测电路，控制电路。本文所介绍的交直交变频的逆变电路开关器件由全控型的IGBT组成，控制其开通关断的波形是通过其内部的DSP芯片所产生的PWM。图2.1 交直交变频器基本组成图2.2 交直交变频器主电路图变压变频器使用SPWM控制控制算法对电机进行控制，主要是要产生正弦的输出电压，只照顾到了这一点，而没有关注电流的波形，所以其控制方法不彻底，在高性能要求的控制场合，就需要更优质的调速方法来补充这个不足之处。“到后来出现了电流滞环跟踪控制，它使得电流按正弦规律进行波动，虽然它的电流正弦比SPWM方法提高性能，但还不足以实现

27、提高电能利用的目的，所以，便产生了本课题所研究的空间电压矢量控制方法8”。进行反向考虑，SVPWM的控制方法是要在电机的定子上加上三相正弦电流，这样便能在气隙中产生旋转磁场，然而旋转磁场在物理上的意义是电压作用时间的积分，况且电压也是旋转的，在空间上与旋转磁场垂直，方向沿旋转磁场的切线，如此一来，便能使电机产生一个恒定的电磁转矩，使电机平稳运行，从而满足生产需要。于是，本控制系统基于这一点，对电机控制方案实施如下：即将逆变器与电机当做一个整体，利用DSP芯片产生PWM波形，控制逆变器的开关管子，并且对导通顺序进行优化处理，从而使得作用在电机上实际的电压矢量后等于期望电压矢量，进行这些工作之后，

28、电机空间上便会形成圆形旋转磁场，从而实现所期望的高性能控制。这种控制方法叫做电压空间矢量PWM控制。同时，由于最终的目的是产生近似于圆形的旋转磁场，所以又叫做磁链跟踪技术。“变频器SVPWM控制方法现已趋向成熟，被广泛应用于控制器中，电动汽车，异步电机等的控制器，都有它的身影9”。本系统中，该算法处于核心控制地位，主要控制电路设计也是SVPWM。变频器SVPWM控制算法在近年来已经成熟被应用，它的最重要的部分在于逆变电路，这是它发挥作用的实际应用处，对三相进行逆变要使用六个功率开关元件。通过对其原理分析以及一系列的算法处理，便能得出其合成矢量，以及如何正确选择零矢量，不同的开关模式会产生特定的

29、脉宽调制波形，利用这些个开关器件，能够让输出电流的波形最大程度接近正弦函数的波形，我们通常使用对其芯片进行编程的方法，来使其产生PWM波形。SVPWM技术与SPWM相比较，具有下面几个优点：绕组电流波形的谐波成分特别小，可减少配电系统本身或联接在该系统上的设备故障；使电机运行在一个比较稳定的状态。“而且这个控制策略也产生电机空间上逼近圆形旋转的磁场使得母线侧的直流电压利用率提高15%，本章下面几节对其原理进行详细分析10”。2.2 变频器SVPWM的基本原理变频器SVPWM的理论基础就是平均值相等，在一个开关周期内使用基本电压矢量对时间进行积分，在空间上进行矢量的合成，使平均值与给定的电压矢量

30、相等，这就是其控制思想。“其基本实现方法就是先判断参考矢量在哪一个区间，然后把这个扇区内相邻的电压矢量和零矢量进行矢量合成11”。在一个区间内，通过控制管子的通断来把相邻的电压矢量分多次施加，使得产生的波形对称。我们控制每个电压矢量的作用时间。最后优化开关作用顺序，把一个扇区分成个小区间，将形成边形，合成的电压空间矢量所产生的逼近圆形的旋转磁场，这些不同的开关状态通过变频器的控制单元产生。最终所产生的近似圆形磁通，便是本控制系统所要控制的目的。假设在直流母线侧电压为，三相相电压在逆变器上出为、，它们各自加在空间上相差为的坐标上面，这个时候我们可以定义方向始终在各相轴上的、相位相隔的、幅值随着t

31、按正弦波形变化的三个电压空间矢量，它们分别为。现在我们假设为相电压的有效值，是电源的频率，那么就有以下关系： (2.1)上表达式中，若，那么： (2.2)由此可知空间矢量它是可以旋转的，它的最大值为相电压峰值的倍，它是以角频率按逆时针方向匀速旋转的电压空间矢量，“其在三相坐标轴 上的投影为三相对称的正弦量12”。因为逆变器的三相桥臂上一共有个开关管，为了方便研究，我们定义其开关函数如下： (2.3)其中(Sa、Sb、Sc)的所有组合有八种，两个零矢量U0(000)、U7(111)六个非零矢量Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)。下面列出

32、一种情况进行分析：SX(x=a,b,c)=(100) (2.4)对（2.4）求解可得：UaN=2Ud/3、UbN=-Ud/3、UcN=-Ud/3。同理可得其他空间电压矢量，各种情况的空间矢量如下表所示：零矢量幅值为0，位于圆心，非零矢量的值的大小一样，都为2Udc/3，每两个矢量之间差/3，任意电压矢量都是由相邻两个非零矢量根据平行四边形法则进行合成的： (2.5)进一步等效为： (2.6)表2-1 所有开关情况与相/线电压之间的关系SaSbSc矢量符号线电压相电压UabUbcUcaUaNUbNUcN000U0000000100U4Udc00110U6UdcUdc0010U20UdcUdc01

33、1U30UdcUdc001U100Udc101U5Udc0Udc111U7000000在式（2.6）中Uref为期望的电压矢量值，T是采样周期，Tx、Ty、T0这三者是指在一个采样周期内，非零电压矢量Ux、Uy和零电压矢量U0作用的总的时间；零矢量有两个U0和U7。因为三相正弦波电压在电压空间矢量中合成的是一个等效的旋转电压，它以电源角频率为速度进行逆时针旋转，所走过的轨迹是一个圆。那么如果要合成三相正弦电压，可以按照上面的电压空间矢量图形，以U4为起始位置，每次都加上一个小的增量，这个增量可由零矢量和非零矢量来合成，其增量安排应该以减小开关损耗为基础，最终可以得到一个电压矢量圆形轨迹，“达到

34、我们预期的变频器SVPWM电压空间向量脉宽调制的目的13”。2.3 变频器SVPWM法则推导给定的三相电压的电压矢量在空间中以一定的速度进行旋转，它的角速度是，周期，我们假设载波频率为，那么频率比就是，这时我们可以把电压旋转平面分成R份，这样便能求出电压向量角度的增值，其表达式如下：(2.7)我们现在假设Uref在1区，那么如图2.3所示，就可以用两个非零矢量和两个零矢量（U4、U6、U0、U7）来进行合成： (2.8)图2.3 空间矢量在1区的合成在静止坐标系中，分为轴和轴，设Uref与U4之间的夹角为，根据三角函数关系可知： (2.9)我们使U4和U6作用一样长的时间，就有|U4|=|U6

35、|=2Udc/3，就可以得到每个非零矢量的作用时间长度，其计算公式如下： (2.10)上式中，称为调制比，调制比是调制波基波的峰值与载波基波峰值之比。非零向量的分配时间出来了，那么零向量作用的时间长度也就出来了：T7=T0=(TS-T4-T6)/2 (2.11)或者T7=(TS-T4-T6) (2.12)根据以上式子，我们可以得出合成Uref的每个矢量作用时间。第一步工作已经完成，下面的主要任务就是来确定怎样产生脉宽调制波形。在SVPWM调制方案里，我们可以尽量让开关在切换的时候能够少变化几个，这样是为了降低损耗。而对于这个要求就可以灵活插入零矢量，并且是插在头尾和中间。让各矢量构成空间矢量序

36、列，排列方式比较多，以下进行介绍。7段式SVPWM为了就减少开关的通断损耗，我们可以把基本矢量的作用顺序进行调整。当每次把基本矢量加上时，尽量只变化一个开关管子。0矢量的选定也也要具有灵活性，一般来说，施加在一个区的开始，中间和末尾，这样便能产生对称PWM波。通过这种方法，能够有效的减少PWM谐波分量，控制电机的时候也不会有很大的转矩脉动，我们可以更平滑地调速，这对控制性能的提升具有明显的意义。下面举例进行分析：把U4(100)转换到U0(000)，我们就只要改变A相的一对开关。当从U4(100)转换到U7(111)的时候，那就要改变B、C两相的开关。这样对器件损耗非常大，几乎翻倍了。所以，我

37、们需要把零向量穿插其中，从而使开关损耗降低。改变U4(100)、U2(010)、U1(001)这三个非零矢量时，要配合零矢量 U0(000)。当要改变U6(110)、U3(011)、U5(100)这三个非零矢量时，要配合U7(111)。如此便能利用灵活组合开关顺序，获得对称的PWM波。其他扇区情况如下表所示。以1扇区来说，它的三相波形如表中所示。电压矢量的作用顺序是：U0、U4、U6、U7、U6、U4、U0，我们可以从表的波形图中看到开关切换顺序跟三相波形图是互相对应的。当到达下一个扇区时，Uref的角度加一个增量大小，使用式子(2.9)再算出下一个矢量的作用时间，然后得到这个区域的三相波形。

38、这样能够合成一个新的矢量。Uref将会依次到达扇区、。一个周期下来，可以产生R个合成矢量。2.4 变频器SVPWM控制算法SVPWM算法调制的首先公式是确定电压空间矢量处于哪一扇区，这是由非零矢量U和U决定得。我们先假设电压空间矢量处于第一扇区，那么U和U的角度处于0到60之间。“再结合平行四边形法则，进行矢量合成，就能够判断合成的电压空间矢量14”。表2-2 Uref所处扇区和开关顺序Uref所在的位置开关切换顺序三相波形图区（060）4-6-7-7-6-4区（60120）2-6-7-7-6-2区（120180）2-3-7-7-3-2区（180240）1-3-7-7-3-1区（240300）

39、1-5-7-7-5-1区（300360）4-5-7-7-5-4对其所在扇区的充要条件进行详细分析可知，参考电压矢量Uref是U，U-U和-U-U共同决定的。所以设： (2.13)表2-3 Uref处于第几扇区的充要条件扇区落在此扇区的充要条件IU0 ，U0 且U/ U0 ， 且U/ |U|U0 且-U/ UU0 ，U0 且U/ UUU0 ，U0 且-U/U0，则那么A=1，要不然A=0；假设U20，则那么B=1，要不然B=0；若假设U30，那么C=1，要不然C=0。有排列组合可知A，B，C之间可以有8种组合。根据判断Uref所在扇区可以看出A，B，C不会同时取零或者一，减去这两种情况，其他组合

40、还剩余6种。对6种状态进行判断，我们设N=4*C+2*B+1*A，再根据下表进行简单的逻辑运算以及加减运算就可以计算出N值与扇区对应关系，从而判断Uref所在的区间。这对提升系统响应速度具有非常大的意义。表2-4 N值与扇区对应关系N315462扇区号基本矢量作用时间和三相PWM波形合成：以前我们对SVPWM的计算是使用式(2.10)中的空间角度和正弦定理。然而这样就使得我们计算基本矢量的作用时间变得复杂起来。其实在控制策略上面，我们可以充分利用U和U这样能使得计算大大地简化。我们假设Uref在第1区，实施如下分析： (2.14)经过整理后得出： (2.15)(2.16)再根据以上公式，我们可

41、以求得在其他的区间的作用时间，求得的结果见表2-5。所以，我们可以根据公式（2.13）对空间矢量所在的扇区进行判断，然后再根据表2-5对矢量的作用时间进行确定。“得出我们所需要的结果，计算占空比，再插入零矢量，就能实现电压空间矢量PWM算法15”。为了使变频器SVPWM能适应多个电压等级的情况，我们对它进行标么值转化，实际的电压等于标么值与电压基值之乘积。其中电压基值等于系统的额定电压值的根号三分之二倍。可被看做是相电压的峰值。用变频器的的PWM模块为例，设开关频率。时钟，再依照PWM的预期要求，我们是想设一定且计数器NTPWM为时。对时间转化成计数值的推导：其中和为实际值的标么值，设发波系数

42、=同理可得由公式（2.16）可得，如果零矢量的作用时间无限小的时候，那么相反的一面，非零矢量的时间特别长，这个时候合成的电压空间矢量最大。根据图2.5，可以得到它的最大值不会超过6边行的外线。如果超过，称之为过调制。这个时候的PWM波形就会失真。表2-5 每个扇区矢量作用的时间扇区时间ITN4=TNxTN6=TNyTN2=TNxTN6=TNyTN2=TNxTN3=TNyTN1=TNxTN3=TNyTN1=TNxTN5=TNyTN4=TNxTN5=TNy变频器SVPWM控制系统，就是要使得调制的电压矢量接近图2.5所示的内切圆。使逆变器输出最大正弦相电压为三分之根号三倍相电压。倘若使用三相SPW

43、M进行调制，那么逆变器它所能够产生的最大相电压只有。很明显，SVPWM比SPWM的算法具有更高的电压利用率，将两者进行比较。通过结果可以看出SVPWM的电压利用率高于SPWM的15.47%。如图2.5所示，若合成电压空间矢量超过了内切圆，证明发生了波形失真。图2.5 SVPWM电压矢量的分布我们通常所说的过调制，那么就必须要对它采取措施。我们通过采比例缩小算法来进行解决这一问题。假设每个扇区中先发生的矢量所持续的时间是TNx，后发生的矢量所持续的时间是TNy。如果Tx+TyTNPWM时，就没有失真，合成矢量处于图形内。如果TNx+TNyTNPWM时，表明波形发生失真。这个时候就要进行以下工作：

44、发生过调制，致使波形失真，因为非零矢量的作用时间太长，而零矢量的作用时间太短。从这一点开始入手，我们就增加零矢量的作用时间，把非零矢量的作用时间适当减少。设过调制时，非零电压矢量的持续时间为TNx，TNy，根据比例关系：(2.17)再利用一下公式得出TNx，TNy，TN0，TN7：(2.18)所以，我们可以利用这些量之间的关系，计算出每个用到的矢量的持续时间。确定Uref所在扇区，再根据变频器SVPWM的原理，算出每一相映射的比较器的值。其具体运算如下：(2.19)图2.6 I扇区时PWM比较方式，计数值相差180段数以倒三角计数，对应计数器的值以正三角计数计数器的值75(2.20)同理可得1

45、扇区5段时的比较器的值：同理可推出其他扇区的比较器的计数器的值。（Ntaon、Ntbon、Ntcon）各扇区时间分配见下表。我们给比较器加入相应的时间，便完成了变频器SVPWM的原理。表2-6 各扇区比较器的计数值扇区123456TaNtaonNtbonNtconNtconNtbonNtaonTbNtbonNtaonNtaonNtbonNtconNtconTcNtconNtconNtbonNtaonNtaonNtbon3 变频器SVPWM控制系统设计3.1 总体设计图3.1 变频器SVPWM控制系统硬件结构图变频器SVPWM系统硬件结构如图3.1所示，变压变频调速系统具有良好的带负载能力，本系

46、统采用的是电压型交-直-交变频电路。如今应用的变频器，大部分是采用二极管整流、全控型器件IGBT进行逆变的所组成的。变频器SVPWM控制系统硬件结构图中主要包括了主电路、驱动电路和控制电路，下面对其电路进行分析。3.2 主电路设计根据图3.1的控制系统主电路先通过保险丝，作为防护的第一关。然后再利用二极管进行整流，把三相电先变成直流。设置的大电容是为了滤波，而且串联两个，是为了串联分压，因为电机启动的时候会有泵升电压，如果只有一个电容，那很有可能会被击穿。为了避免开关K1在闭合的时候，电容充电过快产生非常大的充电电流，所以就加了电阻R0，起到限流作用，这个限流电阻也可以用电抗来替代。开关K2的

47、作用是将R0短路。当通上电源一段时间后，电容不会再产生大的充电电流，这个时候如果不把R0短路的话，它会影响变频器的正常工作，还会消耗电能。VTb和Rb是泵升限制电路，也是泵升电压的释放回路。通常在设计的时候，我们为了让变频器具有良好的散热性能，把制动电阻单独作为一个附件，将它安装到机箱的外面驱动。下面对各个分电路和各个元器件参数选择性进行介绍：整流模块环节：采用三相不控整流模块将交流电变成直流电，以下的计算是三相整流桥堆的一些参数。通过二极管的峰值电流 （3.1）流过二极管电流的有效值 （3.2）二极管额定电流 （3.3）考虑滤波电容充电电流的影响，需要留一个大的电流裕量，选用IN=30A,整

48、流二极管额定电压 （3.4）本设计所选择的三相整流模块是杭州拓直公司的MDS的一个系列，型号是MDS400-16。限流电阻：起限制电流作用，为了避免在通电的一瞬间，两个串联电容充电时产生大的充电电流。所以在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻，用来限制通电瞬间电流过大，等电路接通一段时间之后，把开关S闭合，使得限流电阻被短路，减少能量的损耗。因为通电一段时间之后，电容已经处于饱和状态，这个时候已经稳定下来，不会出现大的充电电流，所以此时再将限流电阻接入，就没有必要，开关S的设计，是基于这一点。中间滤波环节：整流电路输出的直流电压有脉动分量，因此需要电容滤波用以减少直流电压脉动。当没加滤波

49、电容时，三相整流输出平均直流电压为 （3.5）加上滤波电容后VDC的最大电压可达到交流线电压的峰值 （3.6）滤波电容从理论上来说是越大越好，基于经济考虑，就选用两个2200F/450V的电容相串联，便能达到同样效果。3.3 驱动电路设计驱动电路是将微机控制电路所产生的PWM信号驱动一个大的功率场效应管。然后经过功率放大后，来控制电力电子器件的开端和通断，这是一个弱电控制强电的应用。图3.2 驱动电路驱动电路起到功率放大的作用，是一种以低输入到输出较大功率为目的的放大电路。它用来直接驱动负载，带载能力必须达到控制的要求，其输出功率必须足够大。以输出足够大为目的，对其驱动电路进行逆向要求，对于电

50、压电流信号来说，如果其基值比较大，那么在同等的放大条件下，就具有更高的驱动输出。所以就要求功率放大器件对这些幅值较高的电压电流信号不失真放大。PWM脉冲频率对电机中的电枢电流的连续性起作用，从而也决定了电机运行是否电流不稳。若是频率不稳定，将导致电机的低速性能不理想，烧坏晶体管，甚至有可能使电机产生剧烈颤抖。所以，在设计PWM的驱动电路时，要慎重选择切换频率。所选用的晶体管的开关频率要足够大为5Hz至20Hz。图3.3 DSP最小系统3.4 控制电路设计变频器的控制电路现在大都以具有极高计算运行速度的微处理器为控制器，主要被用来对各种输入输出进行设定。在变频器中就是根据算法，控制其内部电路功能

51、模块，使其产生相对应的输出，例如产生PWM逆变电路的驱动信号。微机芯片一般用单片机，随着芯片技术的发展，具有极高计算速度的DSP被用于变频器。现在的通用变频器DSP芯片一次性能处理32位数据，并且具有RISC架构。PWM信号能够通过软件对芯片编写代码产生，从PWM端口进行输出。由于变频器的发展，现在芯片已被集成在变频器的主电路板上，不需单独进行软件编程控制，直接调设变频器参数即可实现目的波形的生成，本系统中的变频器所使用用的芯片是美国德州仪器公司的TMS320F2812DSP，以下对DSP2812进行介绍：数字信号处理器DSP是为独立快速实现各种数字信号处理运算而专门设计的一种处理器件。现本系

52、统中的芯片是目前C2000系列中应用最为广泛、最具代表性的芯片。它不仅具有多数DSP芯片广泛使用的32位内核结构、片内/外存储器映射、时钟和中断管理机制，而且还具有事件管理器（EV）、串行通信接口（SCI）、多通道缓冲串行口（MCBSP）、eCAN总线模块和模数转换模块（ADC）等多种片内外设。正因为DSP集成了这些模块，所以在数字控制领域中，它能实现高性能、高精度控制，尤其在本变频器设计系统中对PWM波产生所起的作用。DSP28112芯片所具有的基本特点：内部采用将程序和数据分开存储的哈佛结构，这样便使得读取和写入速度翻一倍；还采用4级流水线操作包括取指令、指令译码、读操作数、执行；具有专门

53、的硬件乘法器，可以在单个周期内取两个操作数到乘法器中进行乘法运算，这样使得算法具有高速性；提供特殊的DSP指令，可以用来实现各种数字信号处理算法5。本芯片对于电机和运动控制数字化优化具有高控制性能，特别适用于三相异步电机。它集C2xx内核增强型TMS320设计结构和对控制电机的低功耗、高性能于一体。更加上它内部的四级流水线，使得其对指令的控制速度在34ns左右。不仅具有这些优良的控制功能，而且其价格也不贵，性价比很高，它的使用也使得控制系统的体积大大减小了。它的事件管理器还提供了三个功能强大的l6位定时器GP TIMERx(x=l，2，3)，将其组合可产生12路PWM信号。TMS320F281

54、2芯片在电机矢量控制中所起的作用：根据光学编码器输入的两相增量数字脉冲信号，判别电机旋转方向的正负。根据光学编码器输人的信号确定对定子转子相对相绕组轴线的夹角。速度比较，提供参考转矩作为校正补偿。将采集的三相电流进行转换，然后再进行3/2变换。将电流信号与反馈电流信号进行比较，得出校正偏差，作3/2变换。最后确定PWM的脉宽系数，产生PWM控制波。对反馈的信号进行处理，如出现故障信号，将执行中断。将会通过切断主电路电源，同时中断PWM输出，并对故障诊断。图3.4 直流母线电压采集图3.5 输出电流采集图3.6 光电隔离DSP2812的控制流程：系统初始化，电流采样处理格式，等待中断，速度采样处理格式，电流模块运算，位置、速度调节器，外部中断处理模块，电流调节器，磁极位置检测，SVPWM模块运算。信号采集部分电路如图3.4图3.5，电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CP