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,并介紹一種基于動態(tài)零矢量的調(diào)制方法AZSPWM,利用MATLAB對兩種調(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
SVPWM與SPWM是原理不同的兩種矢量脈寬調(diào)制技術(shù),SPWM調(diào)制是基于正弦波對三角波進(jìn)行脈寬調(diào)制,而SVPWM是使電動機(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個基本的空間電壓矢量,根據(jù)各基本電壓矢量作用時序產(chǎn)生對應(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)行時產(chǎn)生的共模電壓大小,本文介紹一種基于動態(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。
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)?,電機(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個開關(guān)元件,設(shè)A、B、C三相橋臂上有對應(yīng)開關(guān)變量a、b、c。當(dāng)上橋臂開通時,對應(yīng)開關(guān)變量值為1,當(dāng)下橋臂開通時,對應(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:
Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的開關(guān)組合決定的8個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(a,b,c)關(guān)系圖
對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零矢量0(000)、7(111)時最大,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序?yàn)椋篣5-U4-U6-U2-U6-U3-U5。
AZSPWM第一扇區(qū)電壓矢量作用時序如圖4所示:
圖4 AZSPWM第一扇區(qū)矢量作用時序圖
從圖4可以看出,當(dāng)采用AZSPWM調(diào)制策略控制逆變器時,因?yàn)槲词褂昧汶妷菏噶?,從而使三相電壓逆變器產(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的作用時間分別為:
AZSPWM在各扇區(qū)內(nèi)的的時序圖如下:
傳統(tǒng)SVPWM和AZSPWM合成空間電壓矢量所使用的電壓矢量不同,每個扇區(qū)內(nèi)參與合成的電壓矢量時序圖也不相同。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
為驗(yàn)證無零矢量SVPWM調(diào)制算法對共模電壓的抑制作用,本文采用TI公司型號為TMS320F28335的DSP芯片進(jìn)行測試。選擇TMS320F28335的定時器為連續(xù)增減模式。
PWM波產(chǎn)生的原理為:計數(shù)器依據(jù)PWM周期重復(fù)計數(shù),當(dāng)計數(shù)值與比較寄存器中的值相同時,產(chǎn)生比較匹配信號進(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)兩個值二次匹配時,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[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與計數(shù)器進(jìn)行比較。與傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制方式計算比較時間不同的是,AZSPWM在各扇區(qū)內(nèi)的時序圖會出現(xiàn)“凹”形,因此在CCS軟件中進(jìn)行程序編寫時,在不同扇區(qū)內(nèi),根據(jù)時序圖對應(yīng)的波形形狀,在比較時間處對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。
本文分析了SVPWM的技術(shù)原理,并對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,高級工程師。主要從事電氣傳動系統(tǒng)設(shè)計科技管理工作。E-mail: skybright@126.com