兩種優(yōu)化開關模式在高頻SVPWM逆變電源中的應用

摘要：針對數字化高頻空間矢量脈寬調制（SVPWM）逆變電源的特殊要求，對SVPWM算法進行了改進，并提出兩種適用于高頻SVPWM算法的優(yōu)化開關模式。最后分別采用純軟件方法和硬件結合DSP內部空間矢量PWM集成硬件的混合方法，來實現兩種優(yōu)化開關模式在一高頻SVPWM逆變電源樣機中的應用。該樣機采用TMS320LF2407A構成的最小控制系統，可輸出0～1000Hz連續(xù)可調的三相交流電。

關鍵詞：高頻；逆變器；電壓空間矢量；數字信號處理器；開關損耗

0 引言

現代化工業(yè)生產中高速電機和超高速電機被廣泛應用于諸如高速機床，渦輪分子泵，離心機，壓縮機，飛輪貯能以及小型發(fā)電設備等工業(yè)領域。為使一臺電機的轉速達到60000r/min，逆變器必須提供至少1000Hz基頻的交流電。

目前，國內在高頻逆變器領域的研究中，主要還是采用正弦脈寬調制（SPWM）技術[1]。近年來出現了在正弦波中注入零序信號的非正弦脈寬調制技術。電壓空間矢量脈寬調制技術（SVPWM）即是在正弦波中注入適當的三次諧波的非正弦調制技術，它的線性調制度較SPWM高15％，而且輸出諧波小。由于空間矢量控制實時算法含多個乘法運算和矩陣運算，而使運算量大，所以，對CPU的運算速度和數據處理技術要求就更高。為實現SVPWM的在線運算，有人采用雙CPU，雙口RAM并行工作的原理，這樣雖然高速性很好，但用兩片CPU明顯提高了設計難度和成本；而且在高頻數字化控制領域，上述結構中CPU的數據交換和處理速度也將無法滿足要求。本文針對全數字化高頻SVPWM逆變電源對高速性、實時性、可靠性的要求，首先，改進了SVPWM算法，然后，在總結SVPWM開關模式后，提出了兩種適合于高頻SVPWM算法的優(yōu)化開關模式，并在由TI公司高性能數字信號處理器TMS320LF2407A組成的高頻逆變數字控制系統中給予實現，同時進行了對比研究。

1 SVPWM的算法改進及兩種優(yōu)化開關模式

對于三相電壓源型逆變器的6個開關管，用“1”和“0”分別代表上下橋臂的開、關狀態(tài)，則開關信號共有8種組合，U₁（100），U₂（110），U₃（010），U₄（011），U₅（001），U₆（101），以及U₀（000）和U₇（111）。這8種組合，在復平面上，分別產生8種電壓向量，如圖1所示。其中U₀及U₇為零向量，6個非零向量構成了圖中的六邊形，并將六邊形分為6個扇區(qū)。圖中所示六邊形內切圓和略小的同心圓分別表示SVPWM和SPWM的直流電壓利用率?？臻g電壓矢量法即是通過選取同一扇區(qū)中相鄰兩個非零矢量和適當的零矢量來合成一個等效的空間旋轉電壓矢量U_ref（該電壓向量在空間上理想軌跡是一個圓），調控U_ref的頻率、幅值和相位，即可實現逆變器輸出電壓頻率、幅值和相位的控制。設T₁及T₂分別為同一扇區(qū)兩相鄰非零向量U_X及U_X±1，在同一個采樣周期中對應的作用時間，T₀為零向量作用時間，由SVPWM的原理可得式（1）。

T_PWMU_ref=T₁U_X＋T₂U_X±1＋T₀(U_o or U₇) (1)

圖1 空間矢量圖

對式（1），文獻[2]給出T₁，T₂和T₀的解，如式（2）。

(2)

式中：0≤α≤π/3，為U_ref與A（或D）軸的夾角；

T₁＋T₂＋T₀=T=T_PWM，為控制周期；

m為調制度。

這種解法在U_ref的幅值和相位已知條件下，可以精簡控制算法，但在電機控制算法中，比如常用的轉子磁場定向控制或氣隙磁場定向控制中，電壓的給定量[U_d，U_q]^T通常是由電流內環(huán)i_d及i_q通過電流調節(jié)器，或是文獻[3]中所述，直接對i_d及i_q進行定子電壓解耦得到，而此時再用以上求解算法需先把給定量轉換為U_ref的向量表達式，這將會加大指令開銷，不利于快速實時控制，所以，有必要對式（1）的求解方法進行改進。

設D及Q為固定于定子的坐標軸系，且D軸與電機A軸重合，Q軸超前D軸90°。通過式（3）可以進行磁勢不變的坐標變換，得到對應于U₁～U₆₆個非零向量在D及Q坐標軸系上的表示，即U₁對應S₁（2/3，0），U₂對應S₂（1/3，1/）等，如圖1中所示。

= （3）

由式（1）及式（3）可以得到一種求T1，T2和T0的新方程組式（4）。

（4）

對于式（4），在軟件中的求解是根據[S_X，S_X±1]所在的扇區(qū)數S（S=0，1，2，3，4，5）作一個關于[S_X，S_X±1]^－1的長度為24（每扇區(qū)4個）的表格，存入DSP的程序存儲器，在程序運行中進行查表計算，這樣可以方便快速地進行矩陣運算，而且運算量小，速度快，適合于高頻逆變電源的控制要求。此外，無論電機采用經典的V/F控制還是采用先進的轉子磁場定向控制等，都可采用此改進算法。

由式（4）可知，只要各向量的開關時間滿足T₁，T₂和T₀的關系，即可實現電壓空間矢量脈寬調制技術，對于開關狀態(tài)的先后順序及起點時間并無限制，這就為減少開關動作次數和減少諧波的優(yōu)化控制提供了可能。圖2列出了所有可能的空間矢量開關狀態(tài)變化圖，每個箭頭表示一個開關動作。例如，從開關狀態(tài)S₀變到S₁，至少需要1次開關動作，而從S₁到S₄則至少需要3次的開關動作。采用適當的開關模式可以減少每個采樣周期內的開關動作次數，降低開關損耗，減小開關管的溫升，從而保證高頻逆變電源的安全運行。經過對比研究，可得出結論：優(yōu)化的空間矢量開關模式在任意兩相鄰空間矢量轉換中只有一次開關動作。圖3及圖4分別給出了扇區(qū)1中對稱和不對稱的SVPWM優(yōu)化開關模式。它們的共同點是：在模式1的一個采樣周期中同時用到了S₀和S₇兩個零向量；而模式2只用到一個零向量，即S₀或S₇。圖3中的模式1在一個采樣周期中，3個橋臂有6次開關動作；該開關序列在加入死區(qū)后，仍是對稱的。模式2在一個采樣周期中，3個橋臂只有4次開關動作，開關損耗只有第一種的67％；但該開關序列在加入死區(qū)后是不對稱的，會增加諧波分量。同理分析，圖4中的兩種模式較之圖3中的兩種模式，開關次數均減少了一半，但由于它們是不對稱的脈沖模式，在輸出電流中會造成較大的諧波含量，從而增大脈動轉矩，使電機在高速運行時劇烈振動，會引起諸多不安全因素。所以，在高頻SVPWM逆變電源中，圖3所示的兩種優(yōu)化開關模式是其首選開關模式。以下將對之進行實驗分析。

圖2 電壓空間矢量開關模式圖