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兩種優(yōu)化開關(guān)模式在高頻SVPWM逆變電源中的應用
摘要：針對數(shù)字化高頻空間矢量脈寬調(diào)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(guān)模式。最后分別采用純軟件方法和硬件結(jié)合DSP內(nèi)部空間矢量PWM集成硬件的混合方法，來實現(xiàn)兩種優(yōu)化開關(guān)模式在一高頻SVPWM逆變電源樣機中的應用。該樣機采用TMS320LF2407A構(gòu)成的最小控制系統(tǒng)，可輸出0～1000Hz連續(xù)可調(diào)的三相交流電。引言
現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)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(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域。為使一臺電機的轉(zhuǎn)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(nèi)在高頻逆變器領(lǐng)域的研究中，主要還是采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)[1]。近年來出現(xiàn)了在正弦波中注入零序信號的非正弦脈寬調(diào)制技術(shù)。電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）即是在正弦波中注入適當?shù)娜沃C波的非正弦調(diào)制技術(shù)，它的線性調(diào)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(shù)據(jù)處理技術(shù)要求就更高。為實現(xiàn)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(shè)計難度和成本；而且在高頻數(shù)字化控制領(lǐng)域，上述結(jié)構(gòu)中CPU的數(shù)據(jù)交換和處理速度也將無法滿足要求。本文針對全數(shù)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(jié)SVPWM開關(guān)模式后，提出了兩種適合于高頻SVPWM算法的優(yōu)化開關(guān)模式，并在由TI公司高性能數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A組成的頻逆變數(shù)字控制系統(tǒng)中給予實現(xiàn)，同時進行了對比研究。
1 SVPWM的算法改進及兩種優(yōu)化開關(guān)模式
對于三相電壓源型逆變器的6個開關(guān)管，用“1”和“0”分別代表上下橋臂的開、關(guān)狀態(tài)，則開關(guān)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(chǎn)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(gòu)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(nèi)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?shù)牧闶噶縼砗铣梢粋�等效的空間旋轉(zhuǎn)電壓矢量Uref（該電壓向量在空間上理想軌跡是一個圓），調(diào)控Uref的頻率、幅值和相位，即可實現(xiàn)逆變器輸出電壓頻率、幅值和相位的控制。設(shè)T1及T2分別為同一扇區(qū)兩相鄰非零向量UX及UX±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）。
圖4 兩種不對稱的優(yōu)化開關(guān)模式
TPWMUref=T1UX＋T2UX±1＋T0(UoorU7) (1)
對式（1），文獻[2]給出T1，T2和T0的解，如式（2）。
式中：0?α?π/3，為Uref與A（或D）軸的夾角；
T1＋T2＋T0=T=TPWM，為控制周期；
m為調(diào)制度。
這種解法在Uref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(zhuǎn)子磁場定向控制或氣隙磁場定向控制中，電壓的給定量[Ud，Uq]T通常是由電流內(nèi)環(huán)id及iq通過電流調(diào)節(jié)器，或是文獻[3]中所述，直接對id及iq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(zhuǎn)換為Uref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(shè)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。
由式（1）及式（3）可以得到一種求T1，T2和T0的新方程組式（4）。
對于式（4），在軟件中的求解是根據(jù)[SX，SX±1]所在的扇區(qū)數(shù)S（S=0，1，2，3，4，5）作一個關(guān)于[SX，SX±1]－1的長度為24（每扇區(qū)4個）的表格，存
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