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案例頻道 （洛陽理工學院，河南 洛陽 471023姬宣德，陳朝輝，辛伊波
姬宣德（1980-）男，河南洛陽人，碩士，講師,從事自動控制理論的研究工作。
摘要：本文介紹了電壓空間矢量脈寬調制技術基本原理，討論了電壓空間矢量脈寬調制技術的兩種開關模式，利用MATLAB對其兩種開關模式的調制波進行了建模，并進行了仿真，仿真結果證明了兩種開關模式調制波的正確性。
關鍵詞：SVPWM；軟件開關模式；硬件開關模式
Abstract: This article describes the basic principles of the voltage space vector pulse width modulation technology, and Discusses it’s two kinds of switchmodes,its two kinds of switch-mode modulation waves were modeled and simulated, Simulation results showed the two kinds of switch-mode modulation wave was correct.
Key words: SVPWM; Software Switching Patern; Hardware Switching Patern
1 引言
隨著電力電子技術的發展，PWM逆變器在電氣傳動中得到了越來越廣泛的應用。SVPWM是一種優化的PWM技術，能明顯減小逆變器輸出電流的諧波成分及電動機的諧波損耗，降低脈沖轉矩，且其控制簡單，數字化實現方便，電壓利用率高，已有取代傳統SPWM的趨勢。PWM 技術都是調制波與載波的合成，SVPWM技術有兩種開關模式，即軟件開關模式和硬件開關模式。軟件開關模式的調制波利用計算公式可以很方便地推到出來，利用仿真工具可以直接實現其調制波形；而硬件開關模式由于TMS320LF2407DSP的事件管理器中有專門的硬件（空間矢量狀態機）來支持此方法，因此，直接得到硬件開關模式下的調制波很不容易。本文提出一種方法，非常方便地推導出硬件開關模式下的調制波，并利用仿真工具實現調制波的輸出。
2 SVPWM調制的基本原理
2.1 基本原理
空間矢量脈寬調制技術（SVPWM）[1]是從電動機的角度出發，把電機和PWM逆變器看成一體，著眼于如何使電動機獲得幅值恒定的圓形磁鏈為目標，它以三相對稱正弦電壓供電時交流電動機的理想磁鏈圓為基準，即逆變器不同的開關模式產生的磁鏈來逼近基準磁鏈圓形，從而達到較高的控制性能。180度導通電壓型逆變器有八種開關模式，分別對應著八個空間矢量，其中六個有效電壓空間矢量和兩個零電壓空間矢量。SVPWM的目標就是通過控制這些基本空間矢量的組合，使電壓空間矢量按一定的規律圓形旋轉。
2.2 T1與T2的確定
T1與T2的確定可以利用參考文獻[6]得到：
T1= TpKpsin（x+60.-ωt）
T2= TpKpsin（ωt-x） （1）
式（1）中，Tp為載波周期，Kp為調制度。式（1）求出了電壓矢量的作用時間，只要知道載波周期Tp就可以求出電壓矢量的作用時間T1與T2。
3 SVPWM開關模式
實現SVPWM的開關方式有兩種，一種是硬件開關模式，一種是軟件開關模式。無論哪一種方式在每個載波周期中必須解決Ux、Ux+60、U000、U111的開關次序問題。不同的開關方式將產生不同的調制輸出波形。
3.1 軟件開關模式
表1 軟件開關模式確定的開關順序表
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表1給出了軟件開關模式的開關順序表，把SVPWM的計算結果（矢量選擇和作用時間）轉化成每相管腳對應的脈寬作用時間，再分配到相應的比較寄存器。
表2 軟件開關模式下的占空比分配表
這種開關模式可以U000、Ux、Ux+60、 U111、U111、Ux+60、Ux、U000用表示，這里x可以為0°、60°、120°、180°、240°、300°，以x=0°為例，可以畫出軟件開關模式下的開關序列、逆變器三相電壓波形如圖1所示。TON通過表1可以看出，為了滿足開關損耗最小原則，2、4、6區間的主輔矢量作用時間順序需要改變，即式（1）中的T1與T2需要互換一下。這樣才使得軟件開關模式絕對以U000開始，又以U000結束，每一次狀態改變只需一個橋臂功率器件。為了準確實現作用時間T1與T2的互換，要確定占空比參量Taon、 Tbon、Tcon的值。
由于SVPWM的波形是對稱實現，因此PWMPRD=TP/2，PWMPRD周期寄存器的周期值；這樣可以定義占空比參量Taon、Tbon、Tcon：
T1= TpKpsin（x+60.-ωt）
T2= TpKpsin（ωt-x）
Taon=（1- T1- T2）×PWMPRD/2
Tbon= Taon+ T1×PWMPRD
Tcon= Tbon+ T2×PWMPRD
最后，可以確定實際控制所需要的三相PWM波的占空比Taon、 Tbon、Tcon，如表2所示。
圖1 軟件開關模式下開關序列
圖2 硬件開關模式下開關序列
3.2 硬件開關模式
表3給出了硬件開關模式的開關順序表，在TMS320LF2407DSP的事件管理器中有專門的硬件（空間矢量狀態機）來支持此方法，只需把主矢量填入比較方式控制寄存器（ACTRA/B）中的基本空間矢量位、把主輔矢量的作用時間T1與T2填入比較單元的比較寄存器（CMPR1、CMPR2/ CMPR4、CMPR5），就可以實現SVPWM。
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這種開關模式可以用Ux、Ux+60、U111/U000、U111/U000、Ux+60、Ux表示，這里可以為0°、60°、120°、180°、240°、300°，以x=0°為例，可以畫出軟件開關模式下的開關序列和逆變器三相電壓波形，如圖2所示。
通過表3可以看出，主輔矢量作用時間的順序不用改變就可以滿足開關損耗最小原則。實際控制所需要的三相PWM波的占空比Taon、 Tbon、Tcon如表4。推導過程如下：
T1= TpKpsin(x+60°- ωt)
T2= TpKpsin(ωt-x)
T0=0×PWMPRD/2
T01=（0+ T1）×PWMPRD
T012=（0+T1+ T2）×PWMPRD
T1=1×PWMPRD/2
T11=（1- T1）×PWMPRD
T112=（1-T1- T2）×PWMPRD
4 仿真結果分析與結論
圖3軟件開關模式的調制波波形（25Hz）
圖4軟件開關模式的調制波波形（50Hz）
圖5硬軟件開關模式的調制波波形（25 H）
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圖6硬件開關模式的調制波波形（50 Hz）
圖7 硬件開關模式下調制度分別為0.3，0.5，0.7，1.0時的調制波波形
仿真結果圖如圖3至圖7所示，從圖3至圖4中可以看出軟件開關模式下的相電壓調制波波形類似馬鞍波，與SPWM中加上三次諧波的波形很相似；從圖5至圖6中可以看出硬件開關模式下的相電壓調制波波形有1/3周期時間，或處于最高或處于最低。因此大大降低了開關頻率。從圖7中可以看出，硬件開關模式下的相電壓調制波波形隨著調制度的減少，相電壓調制波波形幅值在減小，但是在一個周期內有1/3周期或等于1或等于0。綜合比較可以看出，硬件開關模式要優越于軟件開關模式。
其它作者：陳朝輝（1979-），男，河北保定人，助教，在讀碩士研究生，主要研究方向為自動控制理論。辛伊波（1956-），男，山東萊陽人，教授，從事自動控制理論，電力電子技術等教學與科研工作，有多項科研成果及40多篇論文發表。
參考文獻：
[1] 姬宣德. 空間矢量脈寬調制技術的dsp實現[J]. 礦山機械，2004（12）.
[2] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統[M]. 北京: 機械工業出版社，2004.
[3] 韓安太. DSP控制器原理及其在運動控制系統中的應用[M]. 北京: 清華大學出版社，2003.
[4] 劉和平. TMS320LF240XDSPC語言開發與應用[M]. 北京: 航空航天大學出版社，2003.
[5] 王曉明. 電動機的DSP控制[M]. 北京: 航空航天大學出版社，2004.
[6] 姬宣德. 由軟件方法決定開關模式的SVPWM技術[J]. 微特電機，2008.
摘自《自動化博覽》2010年第三期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號