SVPWM調(diào)制波的建模與仿真

張巴圖，賀文健，李 波

SVPWM調(diào)制波的建模與仿真

張巴圖1，賀文健2，李 波2

（1. 神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文分析了SVPWM調(diào)制技術(shù)原理，并介紹一種基于動(dòng)態(tài)零矢量的調(diào)制方法AZSPWM，利用MATLAB對(duì)兩種調(diào)制方法控制下的三相電壓型逆變器進(jìn)行了建模。通過軟件仿真，驗(yàn)證了SVPWM調(diào)制方法可以提高輸入電壓利用率，AZSPWM在此基礎(chǔ)上可以降低共模電壓。并在基于TMS320F28335的DSP芯片上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

SVPWM AZSPWM 共模電壓 MATLAB仿真 DSP驗(yàn)證

0 引言

SVPWM與SPWM是原理不同的兩種矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，SPWM調(diào)制是基于正弦波對(duì)三角波進(jìn)行脈寬調(diào)制，而SVPWM是使電動(dòng)機(jī)獲得理想圓磁場為控制目標(biāo), 基于逆變器不同的開關(guān)組合產(chǎn)生8個(gè)基本的空間電壓矢量，根據(jù)各基本電壓矢量作用時(shí)序產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的SVPWM波形[1]。與SPWM相比，SVPWM的電壓利用率高了約15%[2]。

共模電壓是影響電機(jī)性能的重要因素之一，為減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的共模電壓大小，本文介紹一種基于動(dòng)態(tài)零矢量的改進(jìn)SVPWM調(diào)制方式AZSPWM，該方法可以將共模電壓降低66.7%，從而提高電機(jī)性能。

對(duì)SVPWM和AZSPWM兩種矢量調(diào)制方法在Matlab/Simulink軟件中進(jìn)行仿真建模，并基于TMS320F28335的DSP芯片進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證理論分析結(jié)果。

1 三相電壓型逆變器的電壓矢量模型

如圖1所示，建立一種連接三相電機(jī)的電壓型逆變器的電路拓?fù)洌姍C(jī)定子繞組為星型聯(lián)結(jié)。

在圖1中，逆變器輸出側(cè)的三相電壓分別為Ua、Ub、Uc。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6代表三相橋臂的6個(gè)開關(guān)元件，設(shè)A、B、C三相橋臂上有對(duì)應(yīng)開關(guān)變量a、b、c。當(dāng)上橋臂開通時(shí)，對(duì)應(yīng)開關(guān)變量值為1，當(dāng)下橋臂開通時(shí)，對(duì)應(yīng)開關(guān)變量值為0。以A相為例，有：

輸出電壓的相電壓矢量和線電壓矢量與開關(guān)變量矢量之間的關(guān)系表示為公式（1）和公式（2）:

其中，Udc是電壓源逆變器的直流供電電壓，或稱為總線電壓。不難看出，因?yàn)殚_關(guān)變量a、b、c只能取0和1，所以有8種不同組合，即三相橋臂有8種不同的開關(guān)狀態(tài)，故相電壓Ua、Ub、Uc 和線電壓Uab、Ubc、Uca也有8種對(duì)應(yīng)的組合[3]。

Ua、Ub、Uc轉(zhuǎn)換至（）坐標(biāo)系中，有以下矢量關(guān)系等式：

2 SVPWM調(diào)制波作用時(shí)間的計(jì)算

Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的開關(guān)組合決定的8個(gè)基本電壓矢量在空間中的位置如圖2所示。

圖2 電壓矢量與觸發(fā)信號(hào)（a,b,c）關(guān)系圖

3 基于改進(jìn)SVPWM調(diào)制策略的共模電壓抑制

對(duì)于圖一所示的兩電平三相電壓逆變器而言，其共模電壓定義為逆變器輸出中性點(diǎn)處與逆變器直流母線電壓中點(diǎn)之間的電壓No[4]，根據(jù)逆變器拓?fù)洌?/p>

三相相電壓關(guān)系如公式3-2所示

因此共模電壓可表示為：

根據(jù)前述分析，逆變器基于上下橋臂開關(guān)的不同組合可工作在8種狀態(tài)下，結(jié)合公式（10），不同工作狀態(tài)下對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的共模電壓大小分別為：0=-dc/2，0=-dc/2，1=-Udc/6，2=dc/6，3=-dc/6，4=-dc/6，5=-dc/6，6=dc/6，7=dc/2

分析文獻(xiàn)[6-10]研究結(jié)果可得，抑制共模電壓主要包括兩方面思路：一是改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如采用三相四橋臂等，二是優(yōu)化SVPWM調(diào)制算法，從表2中可以看出，三相逆變器的共模電壓在兩個(gè)零矢量0（000）、7（111）時(shí)最大，為直流母線電壓的一半。為減小共模電壓，在工作過程中應(yīng)避免零矢量參與電壓矢量的合成。

本文介紹一種采用動(dòng)態(tài)零矢量空間矢量調(diào)制方法（AZSPWM）。該方法利用相位相差180度的兩個(gè)相反電壓矢量代替?zhèn)鹘y(tǒng)SVPWM調(diào)制方法中的零矢量，即采用U1U4、U2U5、U3U6的非零矢量組合取代空間電壓矢量合成中的零矢量U0U7。

圖3為AZSPWM空間矢量合成圖。

圖3 AZSPWM空間矢量合成圖

合成電壓矢量作用時(shí)序?yàn)椋篣5-U4-U6-U2-U6-U3-U5。

AZSPWM第一扇區(qū)電壓矢量作用時(shí)序如圖4所示：

圖4 AZSPWM第一扇區(qū)矢量作用時(shí)序圖

從圖4可以看出，當(dāng)采用AZSPWM調(diào)制策略控制逆變器時(shí)，因?yàn)槲词褂昧汶妷菏噶浚瑥亩谷嚯妷耗孀兤鳟a(chǎn)生的共模電壓最大值從Udc/2下降至Udc/6，僅為傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制方法共模電壓最大值的1/3。

2、4、5、6的作用時(shí)間分別為：

AZSPWM在各扇區(qū)內(nèi)的的時(shí)序圖如下：

4 SVPWM、AZSPWM仿真

傳統(tǒng)SVPWM和AZSPWM合成空間電壓矢量所使用的電壓矢量不同，每個(gè)扇區(qū)內(nèi)參與合成的電壓矢量時(shí)序圖也不相同。在Matlab/Simulink仿真軟件中分別搭建系統(tǒng)模型得到如下的仿真波形：

圖5 不同控制方法下電機(jī)三相電流波形

圖5圖6分別為兩種調(diào)制策略下三相電機(jī)的相電流波形和共模電壓波形。觀察圖5可知不同逆變器調(diào)制策略下電機(jī)的三相電流波形正弦度都很好，說明兩種控制策略下電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)比較理想。但是從圖6中可以看到傳統(tǒng)SVPWM控制電機(jī)共模電壓值最大為250 V，而改進(jìn)的無零矢量調(diào)制方式控制的電機(jī)共模電壓最大值僅為83.3 V，相比降低了66.7%。與理論分析一致。

圖6 不同控制方法下電機(jī)共模電壓波形

5 SVPWM、AZSPWM的DSP實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證無零矢量SVPWM調(diào)制算法對(duì)共模電壓的抑制作用，本文采用TI公司型號(hào)為TMS320F28335的DSP芯片進(jìn)行測試。選擇TMS320F28335的定時(shí)器為連續(xù)增減模式。

PWM波產(chǎn)生的原理為：計(jì)數(shù)器依據(jù)PWM周期重復(fù)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與比較寄存器中的值相同時(shí)，產(chǎn)生比較匹配信號(hào)進(jìn)入DSP內(nèi)部集成的波形發(fā)生單元，使PWM波形發(fā)生跳變。當(dāng)兩個(gè)值二次匹配時(shí)，生成的PWM波發(fā)生第二次跳變，如此就實(shí)現(xiàn)了占空比與比較寄存器中值成比例的方波脈沖信號(hào)[11-12]。

圖7 DSP生成PWM波示意圖

以第一扇區(qū)為例求取比較時(shí)間，根據(jù)公式（11），令X、Y、Z分別為：

將X、Y、Z的值分別賦給CMPR1、CMPR2、CMPR3與計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較。與傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制方式計(jì)算比較時(shí)間不同的是，AZSPWM在各扇區(qū)內(nèi)的時(shí)序圖會(huì)出現(xiàn)“凹”形，因此在CCS軟件中進(jìn)行程序編寫時(shí)，在不同扇區(qū)內(nèi)，根據(jù)時(shí)序圖對(duì)應(yīng)的波形形狀，在比較時(shí)間處對(duì)ePWMxA和ePWMxB置高或置低。兩種調(diào)制方式下DSP輸出的PWM波形在示波器上如圖8所示，電機(jī)工作時(shí)的共模電壓值如圖9所示。分析圖8可知，采用AZSPWM調(diào)制算法后，DSP輸出的PWM波中不再含有000和111的狀態(tài)，避免了零電壓矢量參與空間電壓的合成。從圖9可以看出，在相同的工作參數(shù)下，AZSPWM調(diào)制算法下的共模電壓下降為傳統(tǒng)調(diào)制策略的1/3。與理論分析和仿真結(jié)果一致。驗(yàn)證了該算法的正確性和有效性。

6 結(jié)論

本文分析了SVPWM的技術(shù)原理，并對(duì)SVPWM和AZSPWM建立仿真模型，仿真結(jié)果說明AZSPWM可以將共模電壓降低66.7%。并基于TMS320F28335芯片進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了AZSPWM的共模電壓抑制作用。

圖8 兩種調(diào)制方式的共模電壓圖

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Modeling and smulation of SVPWM modulation wave

Zhang Batu1, He Wenjian2, Li Bo2

(1. Institute of Science and Technology , Shenhua Zhunneng Group Co., Ltd, Erdos 010300, Inner Mongolia, China,2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM46

A

1003-4862（2022）08-0007-05

2020-09-24

張巴圖(1983-)，男，高級(jí)工程師。主要從事電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)科技管理工作。E-mail: skybright@126.com