SPWM及SVPWM的研究與DSP實(shí)現(xiàn)

1、SPWM及SVPWM的研究與DSP實(shí)現(xiàn)潘高超（南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南通）摘要：基于異步電機(jī)矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)因具有直流電機(jī)無可比擬的調(diào)速精度、 調(diào)速范圍和更快的響應(yīng)速度，目前已成為國(guó)內(nèi)外專家熱學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。本文會(huì)對(duì)異步 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究與探討，并在全面理解SPWM與SVPWM控制原理的基礎(chǔ)上， 提出以TMS320F2812 DSP為核心的系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)方案，并分別結(jié)合SPWM和SVPWM技 術(shù)實(shí)現(xiàn)開環(huán)WVF調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：異步電機(jī)，變頻調(diào)速，SPWM，SVPWM, DSP實(shí)現(xiàn)，開環(huán)VVVF調(diào)速中圖分類號(hào) TM464中圖分類號(hào)A1引言脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（Pulse Wi

2、dth Modulation-PWM）是變頻調(diào)速控制的核心技術(shù)之一, 是實(shí)現(xiàn)所有控制算法和目標(biāo)運(yùn)算的重要途徑。PWM技術(shù)的基本思想是：通過控制逆變電路 中電力電子器件的開通或者關(guān)斷，輸出電壓為幅值相等、寬度按照一定規(guī)律變化的脈沖序 列，用這種高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。這是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路 進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。SPWM就是在PWM的基礎(chǔ)上改變調(diào)制脈沖方式，使得脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)律排 列，其輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它是一種比較成熟且使用比較廣泛 的PWM波控制方法。該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案：（1）等面積法用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖

3、序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間 隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過查表的方式生成PWM信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá) 到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開 關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的波形很接近正弦波，但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大， 不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。（2）硬件調(diào)制法硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形 作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。 通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。該 方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波

4、載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定 它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波。但是，模擬 電路的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。(3)軟件生成法由r-微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成spwm波形變得比較容易，因此，軟件生成法也 就應(yīng)運(yùn)而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法：即自然 采樣法和規(guī)則采樣法.(4)低次諧波消去法低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法。其原理是對(duì) 輸出電壓波形按傅立葉級(jí)數(shù)展開，表示為u(?t)?ansin(?t),首先確定基波分量al的值，再令兩個(gè)不同的an?O,就可以建立三個(gè)方程，聯(lián)立

5、求解得al, a2及a3,這樣就可以消去兩個(gè)頻率的諧波。該方法雖然可以很好地消除所指定 的低次諧波，但是，剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會(huì)相當(dāng)大，而且同樣存在計(jì)算復(fù) 雜的缺點(diǎn)。該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中。(5)梯形波與三角波比較法前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電 壓的利用率，如SPWM法，其直流電壓利用率僅為86. 6%。因此，為了提高直流電壓利用率, 提出了一種新的方法一梯形波與三角波比較法。該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，三角 波為我波，旦使兩波幅值相等，以兩波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)PWM控制。由 于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)

6、，其所含的基波分量幅值己超過了三角波幅值，從而 可以有效地提高直流電壓利用率。但由F梯形波本身含有低次諧波。所以輸出波形中含有 5次，7次等低次諧波。而就空間電壓矢量SVPWM來說，它的產(chǎn)生原理與PWM沒有任何關(guān)聯(lián)，它是把交流異步 電動(dòng)機(jī)和逆變電路當(dāng)作一個(gè)整體，以產(chǎn)生逼近電動(dòng)機(jī)的氣隙圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目的從而控制 各個(gè)逆變器的通斷狀態(tài)，最后通過交替使用不同的電壓空間矢量來合成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來實(shí) 現(xiàn)的。SVPWM法能夠有效改善電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)定子電阻，使得電機(jī)在噪聲和脈動(dòng)方面得 到明顯改善，同時(shí)采用SVPWM輸出電壓比SPWM時(shí)提高15%,有效的減小了諧波電流?？?之，SVPWM法通過將逆變電路和交流

7、異步電機(jī)當(dāng)作一個(gè)整體來控制，系統(tǒng)模型更加簡(jiǎn)單， 更有利于實(shí)現(xiàn)DSP處理器對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。2原理性論述2.1 異步電機(jī)恒壓頻比、變頻調(diào)速原理2. 1.1恒壓頻比基本原理由異步電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速n滿足：n?60f(l?s) p其中f為定子電源頻率，p為電機(jī)定子極對(duì)數(shù)，s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率。從上 式中可以得到，通過改變定子繞組交流供電電源頻率，即可實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)速度的改變。但 是，在對(duì)異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常需要保持電機(jī)中每極磁通保持恒定，因?yàn)槿绻磐ㄌ酰?鐵心的利用率不充分，在同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力下降；如 果磁通過大，可能造成電動(dòng)機(jī)的磁路過飽和，從而導(dǎo)致勵(lì)磁電流過大

8、，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù) 降低，鐵心損耗劇增，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因發(fā)熱時(shí)間過長(zhǎng)而損壞電機(jī)。如果忽略電機(jī)定子繞組壓降的影響，三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效 值E與電源電壓U可認(rèn)為近似相等，為：U?E?4. 44fNkN?m其中E為氣隙磁通在定子每相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，f為定子電壓頻率，N為 定子每相繞組匝數(shù)，kN為基波繞組系數(shù)，中m為每極氣隙磁通量。由上式可知，在基頻電壓以下改變定子電源頻率f進(jìn)行調(diào)速時(shí)，若要保持氣隙磁通中m恒定不變，只需相應(yīng)的改變電源電壓U即可。我們稱這種保持電動(dòng)機(jī)每極 磁通為額定值的控制策略為恒壓頻比（U/f）控制。在恒壓頻比控制方式中，當(dāng)電源頻率比較低時(shí)，定子繞組壓降所占

9、的比重增大，不能 忽略不計(jì)。為了改善電機(jī)低頻時(shí)的控制性能，可以適當(dāng)提高低頻時(shí)的電源電壓，以補(bǔ)償定 子繞組壓降的影響。我們稱此時(shí)的控制方式為帶低頻補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制。以上兩種控制 特性簡(jiǎn)單示意圖如圖1所示。圖1恒壓頻比控制特性需要指出的是，恒壓頻比控制的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能 都不高，應(yīng)用范圍有限。2. 1.2變頻調(diào)速基本原理在交流異步電動(dòng)機(jī)的諸多調(diào)速方法中，變頻調(diào)速的性能最好，其特點(diǎn)是調(diào)速范圍廣、 平滑性好、運(yùn)行效率高，已成為異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主流調(diào)速方式。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)由不可控整流橋、濾波電路、三相逆變橋、DSP2812數(shù)字控 制系統(tǒng)以及其它保護(hù)、檢測(cè)電路組

10、成。三相交流電源由二極管整流橋整流，所得電流經(jīng)濾 波電路進(jìn)行濾波后，輸出直流電壓：再由高頻開關(guān)器件組成的逆變橋，將直流電逆變后輸 出三相交流電作為電機(jī)供電電源，其中通過對(duì)開關(guān)器件通斷狀態(tài)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行 狀態(tài)的控制。在PWM控制方式中，定義載波比為N?fcfr （fc為載波頻率，fr為調(diào)制波頻率）。根 據(jù)在調(diào)制過程中載波比是否變化可以將PWM分為同步調(diào)制、異步調(diào)制以及混合調(diào)制。同步調(diào)制：若在變頻調(diào)速過程中，載波頻率fc與調(diào)制波頻率fr成正比的變化，即N 保持不變，每周期所生成的脈沖數(shù)目不變，則稱為同步調(diào)制。同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是能保證逆 變器輸出波形的正、負(fù)半波始終保持對(duì)稱，并能保證三相波形互

11、差1200的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是，由FN保持不變，低頻時(shí)相鄰兩脈沖間距增大，諧波顯著增加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)低頻時(shí)諧 波損耗增加，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加劇。異步調(diào)制：異步調(diào)制方式中，調(diào)制波頻率改變的同時(shí)載波頻率保持不變，因此我波比 不斷變化。低頻時(shí)我波比相對(duì)較大，相應(yīng)的減小了諧波分量，減輕了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 異步調(diào)制在改善低頻特性的同時(shí)，由于N值連續(xù)變化，勢(shì)必使逆變器輸出電壓的波形和相 位都發(fā)生變化，很難保持三相輸出間的對(duì)稱關(guān)系和正、負(fù)波形的對(duì)稱，因而引起電動(dòng)機(jī)工 作的不平穩(wěn)?；旌险{(diào)制（分段同步調(diào)制）：為了克服上述同步調(diào)制和異步調(diào)制的缺點(diǎn)，發(fā)揚(yáng)兩者的 優(yōu)點(diǎn)，可以采用混合調(diào)制的方式。在低頻段采用異步調(diào)制，在中高頻段采用

12、同步調(diào)制的方 式。2.2 SPWM控制基本原理在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的 環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積，而這里所說的效果基本相同，是指 環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同，即當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響 應(yīng)基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略 有差異。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。圖2正弦半波及其等效PWM波形把圖2 （a）的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由Y個(gè)彼此相連的脈沖 序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于1/N,但幅

13、值不等，旦脈沖頂部不是水平 直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等 幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，旦使矩形脈沖和 相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就得到圖2 （b）所示的脈沖序列，這就是PWM波形。 根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣 的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也 稱SPWM波形。要改變等效輸出的正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈 沖的寬度即可。2.3 SVPWM控制基本原理當(dāng)用三相平衡的正弦電壓向交流電動(dòng)

14、機(jī)供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈空間矢量幅值恒定, 并以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡形成圓形的空間旋轉(zhuǎn)矢量（磁鏈圓）。SVPWM就是著 眼F使形成的磁鏈軌跡跟蹤由理想三相平衡正弦波電壓源供電時(shí)所形成的基準(zhǔn)磁鏈圓，使 逆變電路能向交流電動(dòng)機(jī)提供可變頻電源，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速?，F(xiàn)在以實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中用的電壓源型逆變器為例說明SVPWM的工作原理。三相逆變器由直 流電源和6個(gè)開關(guān)元件(MOSFET)組成。圖3是電壓源型逆變器的示意圖。對(duì)于每個(gè)橋臂而言，它的上下開關(guān)元件不能同時(shí)打開，否則會(huì)因短路而燒毀元器件。 其中A、B、C代表3個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)上橋臂開關(guān)元件為開而下橋臂開關(guān)元件為關(guān)時(shí) 定義其狀態(tài)為L(zhǎng)當(dāng)

15、下橋臂開關(guān)元件為開而上橋臂開關(guān)元件為關(guān)時(shí)定義其狀態(tài)為Oe這樣A、 B、 C 有 000、 001、 010、 011、 100、 101、 110、111共8種狀態(tài)。逆變器每種開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的電壓矢量，根據(jù)相位角不同分別命 名為 U0 (000)、U1 (100)、U2 (110)、U3 (010)、U4 (Oil)、U5 (001)、U6(101) x U7 (111)如圖 4 所示。圖3電壓源型逆變器示意圖圖4基本電壓空間矢量其中U0 (000)和U7 (111)稱為零矢量，位于坐標(biāo)的原點(diǎn)，其他的稱為非零矢量， 它們幅值相等，相鄰的矢量之間相隔60。如果按照一定順序選擇這六個(gè)非零矢量的電壓 空間矢量進(jìn)行輸出，會(huì)形成正六邊形的定子磁鏈，距離要求的圓形磁鏈還有很大差距，只 有選擇更多的非零矢量才會(huì)使磁鏈更接近圓形。SVPWM的關(guān)鍵在于-用8個(gè)基本電壓空間