电力电子控制技术基础与实践 课件 第6章 空间电压矢量脉宽调制

电力电子控制技术基础与实践电力电子控制技术基础与实践上篇 1. 脉冲宽度调制 2. 正弦波脉宽调制 3. 信号滤波 4. 反馈控制 5. 坐标变换 6. 空间电压矢量脉宽调制

下篇 7. 电力电子技术的PLECS仿真实验 8. 电力电子技术的实验箱实验 电力电子控制技术基础与实践6. 空间电压矢量脉宽调制

6.1 空间电压矢量PWM信号 6.2 SVPWM的算法分析6.3 SVPWM的算法实现6.4 微控制器的SVPWM实现6.1 空间电压矢量PWM信号（1）原理空间电压矢量PWM（SpaceVoltageVectorPWM，SVPWM）SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。图6-1三相电压波形和合成电压矢量图6.1 空间电压矢量PWM信号（2）坐标变换假设一个三相交流电压，其幅值为Um，角频率ω，各相电压相差120º，可以通过Clark变换，将其分解成两相坐标系的电压uα、uβ。等幅值变换等功率变换6.1 空间电压矢量PWM信号（3）电压合成定义开关函数开关状态与相电压、线电压对应关系合成每个扇区内的任意电压矢量表6-1开关状态与相电压、线电压对应关系6.2 SVPWM的算法分析6.2.1合成电压分解以第一扇区为例，U4为起始电压，T4为U4的作用时间，T6为U6的作用时间，Ts为开关周期，Uref(t)的幅值为Uref，相角θ，将Uref(t)正交方向分解得作用时间m为SVPWM的调制系数要求Uref(t)的幅值恒定且不失真，Uref(t)幅值取最大值时的轨迹为正六边形的内切圆

，此时m=1，故m≤1。6.2 SVPWM的算法分析6.2.27段式SVPWM7段式SVPWM也称连续SVPWM（CVSVPWM）基本电压矢量作用顺序的分配原则选定为：在每次开关状态转换时，只改变其中一相的开关状态。并且对零电压矢量在时间上进行平均分配空间电压矢量与开关函数的波形图6.2 SVPWM的算法分析6.2.35段式SVPWM5段式SVPWM也称为离散型SVPWM，DSVPWM为了进一步减少开关次数，一相的开关在某单个扇区中状态维持不变，使得每个开关周期只有4次开关切换，形成5段式SVPWM，但是输出会增大谐波含量。根据零电压矢量位置的变化，DSVPWM有两种调制方案。第一种方案：120º不连续调制，又包含两种，DPWMMIN和DPWMMAX。第二种方案：60º不连续调制，又包含多种，如DPWM0、DPWM1、DPWM2等。60°不连续调制中，交替放置连续60°段的零电压矢量。这种方式，DPWM1在的每个扇区将零电压矢量固定在正、负直流母线上，适用于阻性负载，使用较多。6.2 SVPWM的算法分析6.2.4SVPWM的波形分析图6-4各种不同SVPWM的显化调制波形图6.2 SVPWM的算法分析6.2.4SVPWM的波形分析注入的零序分量波形，对于7段SVPWM算法，也是周期波形，注入信号电压合成波形为马鞍波。6.2 SVPWM的算法分析6.2.5比较计数器值的计算以下以第一扇区为例分析计数器值的计算方法T4记为Tx，T6记为Ty，PWM的开关周期Ts，三个时间的计数值为Ntx、Nty、Nts。时间关系得到PWM比较寄存器的计数值6.2 SVPWM的算法分析6.2.5比较计数器值的计算PWM比较方式也可以用反三角，正三角和反三角计数二者对应的三角载波差180度。以第一扇区为例，由Ntmin、Ntmid、Ntmax计算出PWM寄存器的计数值表格。PWM比较计数器的计数值CMP1~CMP3，7段SVPWM按照开关函数的波形图直接列出表格6.3 SVPWM的算法实现6.3.1以两相电压为基础的实现（1）用两相电压判断扇区N的计算在三相坐标平面上分析，决定扇区的基本变量有几条通过原点的直线段。取其中3条线性无关的直线方程将空间电压矢量平面分成6个分区，就可以确定合成电压矢量在哪个扇区。令（N=4C+2B+A）

或（N=4A+2B+C）计算扇区N6.3 SVPWM的算法实现6.3.1以两相电压为基础的实现（2）用两相电压计算基本电压矢量的作用时间在第一扇区可以推出以下等式各扇区电压矢量的作用时间与（KU1、KU2）关系6.3 SVPWM的算法实现6.3.1以两相电压为基础的实现（3）比较计数器值的计算第1扇区从第1扇区推广至其他扇区，每个扇区3个比较计数器的计数值。6.3 SVPWM的算法实现6.3.2以相角和模为基础的实现（1）使用相角判断的扇区数直接用uα和uβ取反正切（atan2）计算出合成相量的角度（2）用相角和模计算基本电压矢量的作用时间（3）比较计数器计数值的计算扇区上桥臂开关（S1,S3,S5）下桥臂开关（S4,S6,S2）扇区上桥臂开关（S1,S3,S5）下桥臂开关（S4,S6,S2）1S1=T1+T2+T0/2S3=T2+T0/2S5=T0/2S4=T0/2S6=T1+T0/2S2=T1+T2+T0/24S1=T0/2S3=T1+T0/2S5=T1+T2+T0/2S4=T1+T2+T0/2S6=T2+T0/2S2=T0/22S1=T1+T0/2S3=T1+T2+T0/2S5=T0/2S4=T2+T0/2S6=T0/2S2=T1+T2+T0/25S1=T2+T0/2S3=T0/2S5=T1+T2+T0/2S4=T1+T0/2S6=T1+T2+T0/2S2=T0/23S1=T0/2S3=T1+T2+T0/2S5=T2+T0/2S4=T1+T2+T0/2S6=T0/2S2=T1+T0/26S1=T1+T2+T0/2S3=T0/2S5=T1+T0/2S4=T0/2S6=T1+T2+T0/2S2=T2+T0/26.4 微控制器的SVPWM实现6.4.1STM32F407用相角计算实现SVPWM微控制器系统时钟频率clock168MHz，将APB1timerclock和APB2timerclock设置为系统频率clock/2。选TIM8作为互补的PWM发生器，无预分频。选TIM2作为中断发生定时器，无预分频，计数脉冲ARR_value设置16800，自动重装载，中断开关频率5kHz。步进角度=360/（5kHz/50Hz）=3.6°，运行一周需要0.02s。程序在time_calculate(void)函数中计算T1、T2、T0。在tim.c中设置外部变量ARR_value，可以在主程序中修改ARR_value的值，TIM8的周期改变。DAC、GPIO等配置可以用STM32Cube-IDE完成。程序（略）6.4 微控制器的SVPWM实现6.4.1STM32F407用相角计算实现SVPWM实验图6-11测得DAC的CH1和CH2输出波形图图6-13CH2N通道脉冲和DAC1输出测试波形图6.4 微控制器的SVPWM实现6.4.2STM32F407用FPU单元计算SPWM信号启用STM32F407中的浮点运算FPU单元和DSP指令集开发环境设置方法：修改全局宏定义__FPU_USED、__TARGET_FPU_VFP、__FPU_PRESENT、ARM_MATH_CM4floatPI=3.14159语句可以使用arm_math.h中的定义。1.Va=MI*arm_sin_f32(theta1*PI/180)/2;2.Vb=MI*arm_sin_f32(theta3*PI/180)/2;3.Vc=MI*arm_sin_f32(theta2*PI/180)/2;将幅值计算语句spc_mag=sqrt(pow(Valpha,2)+pow(Vbeta,2));用以下语句代替，即：1.floatsqr_spc_mag=pow(Valpha,2)+pow(Vbeta,2);2.arm_sqrt_f32(sqr_spc_mag,&spc_mag);6.4 微控制器的SVPWM实现6.4.3STM32F407用两相电压计算实现SVPWM编写用两相电压计算扇区数和作用时间的函数，sector_idn2()函数和time_calculate2()函数程序（略）实验图6-16测量两个DAC通道波形图图6-17用串口显示波形和扇区号波形图6.4 微控制器的SVPWM实现6.4.4基于FOC的SVPWM的电机控制采用FOC控制电机时，需要产生S