改進(jìn)型SVPWM控制策略仿真研究

張 群

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)遼寧有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110179）

1 概 述

空間矢量脈寬調(diào)制方法憑借其開(kāi)關(guān)量少、電壓利用率高、抑制諧波效果好等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于交流調(diào)速，自提出以來(lái)就成為業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)以及各種利用清潔能源發(fā)電的分布式發(fā)電系統(tǒng)中［1，2］。

傳統(tǒng)的SVPWM算法需要一系列復(fù)雜的坐標(biāo)矩陣變換、三角函數(shù)計(jì)算等矢量分解過(guò)程，算法計(jì)算量大，要分別對(duì)6個(gè)扇區(qū)進(jìn)行計(jì)算，包括扇區(qū)判斷、計(jì)算相鄰矢量作用時(shí)間、計(jì)算矢量切換點(diǎn)［3，4］，占用很多CPU資源，使系統(tǒng)運(yùn)算精度降低且輸出電壓諧波含量較大。

本文結(jié)合三相電壓逆變器，從分析傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制方式入手，利用空間矢量的對(duì)稱性，提出了一種SVPWM的新算法，該算法在計(jì)算占空比和切換點(diǎn)時(shí)，只計(jì)算三個(gè)扇區(qū)即可，減小了計(jì)算量，節(jié)省CPU資源。用Simulink工具箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，驗(yàn)證了該算法的可行性。

2 傳統(tǒng)空間矢量（SVPWM）原理

SVPWM是從電機(jī)的角度出發(fā)，使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以三相逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式做適當(dāng)切換，從而形成PWM波。

三相電壓型逆變器的主電路功率開(kāi)關(guān)管共有8種工作狀態(tài)，并依a、b、c相序排列。設(shè)當(dāng)上橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)量為0，導(dǎo)通時(shí)為1。逆變器的IGBT開(kāi)關(guān)管共有8種工作狀態(tài)，可以產(chǎn)生8個(gè)電壓矢量，因工作狀態(tài)為000與111時(shí)，電壓為0，故只有六個(gè)有效的電壓矢量。如果以Ud為基準(zhǔn)，對(duì)于每種組合逆變器輸出的相電壓和線電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 開(kāi)關(guān)狀態(tài)與相電壓和線電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)clark坐標(biāo)變換，可以將表1中的八種組合的電壓矢量映射到α－β平面，得到兩個(gè)零電壓矢量（U0、U7）和六個(gè)非零電壓矢量（U1～U6）。正六邊形的軸線由六個(gè)非零電壓矢量構(gòu)成，其夾角是60°，兩個(gè)零電壓矢量位于坐標(biāo)原點(diǎn)。

根據(jù)基本的空間矢量逼近給定所需參考電壓矢量Uref的原則，利用這8個(gè)基本空間矢量便可以合成任意的電壓矢量。

3 SVPWM算法

首先需要判斷參考電壓矢量Uref所在的扇區(qū)，然后利用所在扇區(qū)的相鄰兩電壓矢量和零電壓矢量來(lái)合成參考電壓矢量，具體實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：

3．1 判斷合成矢量Uref所在扇區(qū)

假設(shè)Uref通過(guò)α－β平面坐標(biāo)系可分解為Uα和Uβ，

以N＝sign（A）＋2sign（B）＋4sign（C）計(jì)算得到系數(shù)N，N與Uref所屬的扇區(qū)的關(guān)系如表2所示。

表2 N值與扇區(qū)數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

3．2 確定占空比

則各扇區(qū)相鄰兩矢量占空比如表3所示，Tx、Ty賦值后，要對(duì)其進(jìn)行飽和判斷。若Tx＋Ty＞T，取Tx＝TxT／（Tx＋Ty），Ty＝TyT／（Tx＋Ty）。

表3 各扇區(qū)相鄰兩矢量占空比

3．3 確定比較器的切換點(diǎn)

為了計(jì)算空間矢量比較器切換點(diǎn)Tcl、Tc2、Tc3，令

結(jié)果如表4所示。

表4 矢量比較器切換點(diǎn)

4 改進(jìn)的SVPWM算法

如上所述，傳統(tǒng)的SVPWM需要對(duì)6個(gè)扇區(qū)分別計(jì)算，出現(xiàn)了重復(fù)計(jì)算。如表4所示，因?yàn)門1、T2、T3的值取決于每個(gè)扇區(qū)相鄰矢量的作用時(shí)間，而在互為對(duì)角的2個(gè)扇區(qū)，作用時(shí)間是相等的。因此，在互為對(duì)角的兩個(gè)扇區(qū)內(nèi)，矢量切換點(diǎn)T1、T2、T3是相等的。

基于以上分析，在用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以直接計(jì)算互為對(duì)角的2個(gè)扇區(qū)中的1個(gè)扇區(qū)，即在6個(gè)扇區(qū)中只計(jì)算3個(gè)扇區(qū)即可，其余扇區(qū)值可以直接利用其各自對(duì)角扇區(qū)的結(jié)果，這樣減少了計(jì)算步驟和計(jì)算量。

5 改進(jìn)算法的Simulink仿真

根據(jù)以上分析，利用MATLAB仿真軟件中的Simulink建立開(kāi)環(huán)仿真系統(tǒng)，取直流側(cè)電壓為538 V，調(diào)制周期T＝0．0002 s，輸入三相電源的周期為0．02 s，幅值為380 V［5］。

通過(guò)仿真得到的調(diào)制波呈馬鞍形，有利于提高直流電壓利用率，且有效抑制諧波，同時(shí)空間矢量脈寬調(diào)制能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的控制，得到的相電壓為6拍階梯波。

6 結(jié) 論

在討論了SVPWM技術(shù)基本原理的基礎(chǔ)上，提出了一種產(chǎn)生SVPWM的新算法，并對(duì)新算法進(jìn)行Matlab仿真，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)SVPWM原理，能夠得到有效SVPWM波形。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所采用的方案正確可行，節(jié)省了CPU資源，提高了電壓利用率及系統(tǒng)的控制精度，計(jì)算效率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、算法簡(jiǎn)單、較易實(shí)現(xiàn)。

［1］ 徐鐵柱，徐國(guó)卿．基于DSP的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)［J］．電力系統(tǒng)及自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2002，14（6）：69－72．

［2］ 楊貴杰．空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21（5）：79－83．

［3］ 賀洪江．基于TMS320F2812的SVPWM 控制［J］．通信技術(shù)，2008，41（07）：265－266．

［4］ 王曉明．電動(dòng)機(jī)的DSP控制［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004．

［5］ 袁登科，楊 超，陶生桂．兩電平電壓型逆變器的SVPWM 控制仿真［J］．世界儀表與自動(dòng)化，2008，（10）：73－74．