基于三相橋式逆變器的DPWM調(diào)制算法測(cè)試研究

栗偉周 朱政通 梁滿營(yíng) 張瑞杰

（1.許昌學(xué)院工程技術(shù)中心，河南許昌461000；2.許昌智能繼電器股份有限公司，河南許昌461000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，電力電子變換裝置的良好表現(xiàn)使得其在交流傳動(dòng)系統(tǒng)、微電源并網(wǎng)系統(tǒng)、DC-DC變換系統(tǒng)等領(lǐng)域得到不斷推廣和應(yīng)用。進(jìn)一步的研究主要集中在如何降低開(kāi)關(guān)損耗、提升變換效率等方面。不連續(xù)脈寬調(diào)制技術(shù)（discontinuous pulse width modulation，DPWM）能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)管在一個(gè)電壓基波周期內(nèi)的一定區(qū)間不動(dòng)作，從而通過(guò)降低開(kāi)關(guān)損耗來(lái)提高變換效率，DPWM調(diào)制策略在三相橋式逆變器中的應(yīng)用十分廣泛[1-2]。

目前國(guó)內(nèi)很多文獻(xiàn)針對(duì)三相橋式逆變器的控制進(jìn)行了深入研究，但試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)不是很全面，離產(chǎn)品化和實(shí)用化還存在一定距離，本文以三相橋式逆變器驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)為對(duì)象，對(duì)DPWM調(diào)制算法進(jìn)行測(cè)試，并與空間矢量脈寬調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）進(jìn)行對(duì)比分析[3]。

1 SVPWM與DPWM

在交流傳動(dòng)系統(tǒng)和逆變系統(tǒng)中，三相橋式逆變器應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其控制算法也在逐步完善。目前主流的三相逆變器調(diào)制算法以SVPWM調(diào)制為主，衍生的有不連續(xù)脈寬調(diào)制技術(shù)、過(guò)調(diào)制SVPWM技術(shù)、共模電壓抑制SVPWM、人工神經(jīng)元SVPWM技術(shù)等。

1.1 SVPWM原理

SVPWM是近年推廣應(yīng)用的一種較新穎的調(diào)制方式，是將逆變器和控制對(duì)象作為一個(gè)整體，由三相功率逆變器的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件組成的特定開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制PWM電壓，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形，該調(diào)制方式算法簡(jiǎn)單，電壓損耗較小，但在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，該調(diào)制方式效率提升受限。

1.2 DPWM原理及特征

DPWM是一種開(kāi)關(guān)損耗最小的空間電壓矢量PWM技術(shù)，該調(diào)制方式在三個(gè)相鄰矢量所夾扇區(qū)固定選用一個(gè)適當(dāng)?shù)牧闶噶烤涂墒姑恳唤M在一個(gè)周期內(nèi)有120°的扇區(qū)內(nèi)不開(kāi)關(guān)，對(duì)大功率逆變器而言可以在提高開(kāi)關(guān)頻率的基礎(chǔ)上，改善波形質(zhì)量，降低開(kāi)關(guān)損耗。DPWM調(diào)制方式根據(jù)零矢量的不同取值可分為DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3、DPWMMIN、DPWMMAX 6種[4]。

圖1為不同PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)原理圖，在相電壓中注入提取出來(lái)的零序分量后可以得到不同的PWM調(diào)制方法，三相參考電壓標(biāo)幺值U**a,b,c，記為：

圖1 不同PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)原理

2 基于三相橋式逆變的調(diào)速控制系統(tǒng)

永磁同步調(diào)速控制器系統(tǒng)主要由主電路、檢測(cè)調(diào)理電路及運(yùn)算電路三部分組成。其中，主電路包括電源模塊、逆變器電路、永磁同步電機(jī)等，檢測(cè)調(diào)理電路包括各部分電壓、電流、轉(zhuǎn)速等信號(hào)的檢測(cè)與調(diào)理，運(yùn)算電路為以DSP為核心的主控電路。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

從圖2可以看出，主電路中通過(guò)逆變器將電源的直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電，為交流永磁同步電機(jī)供電，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行調(diào)理可獲知電機(jī)狀態(tài)。檢測(cè)調(diào)理電路部分，永磁同步電機(jī)的相電流通過(guò)電流傳感器獲知，進(jìn)而對(duì)所獲取的電流型號(hào)進(jìn)行調(diào)理，最后將狀態(tài)輸入DSP，保護(hù)電路中的過(guò)流、過(guò)壓檢測(cè)也屬于檢測(cè)調(diào)理電路。運(yùn)算電路以DSP主控芯片和外圍電路為核心，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收和發(fā)送，最終將PWM信號(hào)輸出給逆變器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，同時(shí)，DSP通過(guò)RS232實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，通過(guò)數(shù)據(jù)輸出可便于觀測(cè)波形。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比及分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試的直流側(cè)電壓為384 V，冷卻液溫度25℃，流量15 L/min。采用英飛凌1782IPM模塊，采用的電機(jī)最高額定功率37 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，最高轉(zhuǎn)速10 000 r/min。

3.1 調(diào)制電流實(shí)驗(yàn)波形

測(cè)試的兩個(gè)工況點(diǎn)分別為1 000 r/min、340 A和6 000 r/min、340 A。DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3、DPWMMIN、DPWMMAX和SVPWM調(diào)制模式下1 000 r/min與6 000 r/min電流波形如圖3～圖16所示。

圖3 DPWM0調(diào)制方式1 000 r/min電流波形

圖5 DPWM1調(diào)制方式1 000 r/min電流波形

圖6 DPWM1調(diào)制方式6 000 r/min電流波形

圖7 DPWM2調(diào)制方式1 000 r/min電流波形

圖8 DPWM2調(diào)制方式6 000 r/min電流波形

圖9 DPWM3調(diào)制方式1 000 r/min電流波形

圖10 DPWM3調(diào)制方式6 000 r/min電流波形

圖11 DPWMMIN調(diào)制方式1 000 r/min電流波形

圖12 DPWMMIN調(diào)制方式6 000 r/min電流波形

從圖3～圖16的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3調(diào)制方式在1 000 r/min工況下電流波形畸變嚴(yán)重，DPWMMAX和DPWMMIN調(diào)制方式波形相對(duì)平緩，但兩種策略由于一個(gè)橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的損耗不均勻較少采用，1 000 r/min工況下DPWM調(diào)制方式的調(diào)制波近似方波，與理想調(diào)制波相差較大，導(dǎo)致電流波形發(fā)生畸變，即調(diào)制比低時(shí)DPWM調(diào)制策略電流波形電流畸變嚴(yán)重，控制器無(wú)法正常運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)（測(cè)試6 000 r/min），DPWM調(diào)制策略電流波形較為平滑，為理想調(diào)制波形。

圖13 DPWMMAX模式1 000 r/min電流波形

圖14 DPWMMAX模式6 000 r/min電流波形

圖15 SVPWM調(diào)制方式1 000 r/min電流波形

圖16 SVPWM調(diào)制方式6 000 r/min電流波形

3.2 DPWM調(diào)制效率對(duì)比

不同轉(zhuǎn)速下的DPWM和SVPWM控制器效率曲線對(duì)比圖如圖17所示。

由圖17可以看出，在電機(jī)轉(zhuǎn)速大于6000r/min后的不同轉(zhuǎn)速下，DPWMMAX調(diào)制模式下的控制器效率最高，SVPWM調(diào)制模式下效率最低。在轉(zhuǎn)速8 000 r/min為“分水嶺”，8 000 r/min以下時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的升高，控制器效率曲線逐漸升高，大于8 000 r/min后基本平滑，DPWM1模式和DPWM2模式下效率下滑稍微明顯，SVPWM模式下為平滑上升。

圖17 DPWM和SVPWM控制器效率曲線對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文在SVPWM的原理基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了空間矢量DPWM算法在不同模式下的測(cè)試情況，并且對(duì)幾種DPWM算法和SVPWM算法及其特征進(jìn)行了深入的分析，最后對(duì)比得出了在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)DPWM方法在控制器效率方面高于SVPWM算法（DPWMMAX調(diào)制方式效率最高），但電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)電流波形畸變嚴(yán)重的結(jié)論，為下一步算法優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。