整流器空間矢量調(diào)制算法的比較研究

摘要：簡(jiǎn)單介紹了整流器空間矢量PWM（SVPWM）控制的原理，就幾種SVPWM波的諧波含量、開關(guān)損耗進(jìn)行了比較，同時(shí)給出了集成DSP電機(jī)控制器TMS320F240實(shí)時(shí)產(chǎn)生SVPWM的實(shí)現(xiàn)算法。關(guān)鍵詞：空間矢量脈寬調(diào)制；數(shù)字信號(hào)處理器；脈寬調(diào)制整流器Researchon SpacevectorPWMControlofTriphaseRectifier

HEMingxingAbstract:TheprincipleofSVPWMcontrolofthreephasePWMroctifier isintroduced.Theharmoniccomponentsandswitchingfrequencyofthreedifferent typiesofSVPWMwaveformarediscussed,andthealgorithmofSVPWMrealization isprovided.Theresultsofsimulationandexperimentarepresentedatlast. Keywords:SVPWM;DSP;PWMrectifier中圖分類號(hào)：TN911文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)： 0219－2713(2002)10－0498－04

1引言

在三相PWM整流器的數(shù)字控制系統(tǒng)中，由于微處理器的運(yùn)算和處理速度的限制，用來(lái)控制功率開關(guān)器件的PWM信號(hào)多采用三個(gè)相差為120°的正弦調(diào)制信號(hào)和一個(gè)三角載波信號(hào)相比較的正弦調(diào)制方法（SPWM），這種調(diào)制方法很容易用查表的方法實(shí)現(xiàn)，從而可以節(jié)約處理器的運(yùn)算時(shí)間。但隨著微處理器的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的日新月異，以TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F240和AD公司的ADMC331為代表的處理器的推出，使得PWM波的實(shí)時(shí)計(jì)算能很容易地實(shí)現(xiàn)，同時(shí)因?yàn)檫@些微處理器內(nèi)嵌了產(chǎn)生PWM波的硬件，使各種PWM波特別是SVPWM波的實(shí)時(shí)產(chǎn)生成為一件輕松的工作。為此，本文著重分析了幾種SVPWM波形的特點(diǎn)，同時(shí)給出了對(duì)應(yīng)的工程實(shí)現(xiàn)算法，并就這幾種算法進(jìn)行了比較。

2電壓型PWM整流器空間矢量脈寬調(diào)制的

基本原理

圖1表示的是一個(gè)典型的三相電壓型PWM整流器的結(jié)構(gòu)。VDC為三相整流器直流側(cè)電壓， UsA，UsB，UsC分別為三相電網(wǎng)的相電壓；URfA，URfB，URfC分別為整流器橋臂中點(diǎn)對(duì)三 相電網(wǎng)電壓中點(diǎn)的電壓值，它們的大小依賴于對(duì)應(yīng)的橋臂上下功率開關(guān)的狀態(tài)，isA，isB， isC分別為三相的線電流。

對(duì)于電壓型PWM整流器的電流控制有兩類不同的控制方法。一是間接電流控制，它不引入電流反饋而直接對(duì)整流器進(jìn)行PWM調(diào)制，使其輸入端電壓為接近正弦的PWM波形，并保持一定的相位，從而使通過(guò)電抗器輸入的電流為與電源電壓同相位的正弦波；二是直接電流控制，需要檢測(cè)輸入電流，并通過(guò)電流反饋信號(hào)對(duì)整流器進(jìn)行PWM調(diào)制，達(dá)到控制輸入電流波形相位的目的。直接電流控制有多種不同的電流跟蹤方法，如滯環(huán)控制，空間矢量控制，固定頻率的滯環(huán)控制，基于自然采樣SPWM控制。其中空間矢量PWM是由空間矢量變換概念而來(lái)。在采用空間矢量PWM控制的三相電壓型整流器中，為了描述方便定義如下空間矢量，其中α=ej2π/3。

——電網(wǎng)電壓空間矢量Us=(UsA＋αUsB＋α2UsC)（1）

——橋臂中點(diǎn)電壓空間矢量

URf=(URfA＋αURfB＋α2URfC)（2）
——線電流空間矢量Is=(isA＋αisB＋α2isC)（3）

考慮上述變量的基波分量，上述空間矢量Us，URf，Is的關(guān)系可用下式表示

URf=Us－Rs×Is－Ls×dIs/dt（4）

用CPU進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算時(shí)上式可變?yōu)?/p>

URf=Us－Rs×Is－Ls×ΔIs/T（5）

式中：T為一個(gè)PWM控制周期，即為主開關(guān)器件的開關(guān)周期。

CPU檢測(cè)電網(wǎng)電壓可以計(jì)算出電網(wǎng)電壓空間矢量，檢測(cè)電感中的電流可以計(jì)算出電流矢量，再和指令電流矢量比較可以得到ΔIs，再由式（5）就可以計(jì)算出橋臂中點(diǎn)電壓矢量。再經(jīng)過(guò)空間矢量調(diào)制算法計(jì)算出下個(gè)PWM控制周期每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，這樣就可以控制整流器入端的電流。當(dāng)PWM整流器入端的電流和電網(wǎng)電壓同相位時(shí)，這時(shí)PWM整流器的功率因數(shù)很接近1，即為通常所說(shuō)的PFC控制；如果PWM整流器的交流側(cè)是和其它功率負(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)，而且控制PWM整流器的入端電流使得它的入端電流和與其并聯(lián)的功率負(fù)載的電流之和接近正弦且與電網(wǎng)電壓同相位，那么PWM整流器起消除電網(wǎng)諧波的作用。

整流器的6個(gè)開關(guān)器件的開關(guān)順序必須遵從下面的要求。

（1）其中的3個(gè)開關(guān)總是處于開通狀態(tài)，而其余的3個(gè)總處于關(guān)斷狀態(tài)。

（2）同一橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)由互補(bǔ)的兩個(gè)脈沖信號(hào)控制，并且必須保證控制上下橋臂的脈沖信號(hào)沒(méi)有重疊部分，這樣就不會(huì)出現(xiàn)上下橋臂的直通短路。

這6個(gè)開關(guān)器件可以形成8種導(dǎo)通模式，這8種模式對(duì)應(yīng)8種空間矢量，在一個(gè)PWM控制周期內(nèi)可以通過(guò)這8種矢量的不同組合，讓它在一個(gè)PWM控制周期產(chǎn)生的效果等于式（5）計(jì)算出的橋臂中點(diǎn)電壓矢量作用一個(gè)PWM控制周期。這樣就達(dá)到了控制整流器交流側(cè)電感中的電流的目的。

3SVPWM波在DSP中的實(shí)現(xiàn)方法

由式（5）可以計(jì)算出一個(gè)PWM周期橋臂中點(diǎn)的電壓矢量URf，從其在d、q軸投影得到其 d、q軸的分量分別為Ud、Uq，那么CPU下一步就要由Ud、Uq的值計(jì)算出三個(gè)橋臂每個(gè)開關(guān) 管的占空比，從而給各個(gè)橋臂正確的觸發(fā)脈沖。用什么樣的算法來(lái)得到每個(gè)開關(guān)管的占 空比就是本節(jié)要討論的問(wèn)題。