整流器空间矢量调制算法的比较研究

摘要：简单介绍了整流器空间矢量PWM（SVPWM）控制的原理，就几种SVPWM波的谐波含量、开关损耗进行了比较，同时给出了集成DSP电机控制器TMS320F240实时产生SVPWM的实现算法。关键词：空间矢量脉宽调制；数字信号处理器；脉宽调制整流器Researchon SpacevectorPWMControlofTriphaseRectifier

HEMingxingAbstract:TheprincipleofSVPWMcontrolofthreephasePWMroctifier isintroduced.Theharmoniccomponentsandswitchingfrequencyofthreedifferent typiesofSVPWMwaveformarediscussed,andthealgorithmofSVPWMrealization isprovided.Theresultsofsimulationandexperimentarepresentedatlast. Keywords:SVPWM;DSP;PWMrectifier中图分类号：TN911文献标识码：A文章编号： 0219－2713(2002)10－0498－04

1引言

在三相PWM整流器的数字控制系统中，由于微处理器的运算和处理速度的限制，用来控制功率开关器件的PWM信号多采用三个相差为120°的正弦调制信号和一个三角载波信号相比较的正弦调制方法（SPWM），这种调制方法很容易用查表的方法实现，从而可以节约处理器的运算时间。但随着微处理器的设计和制造技术的日新月异，以TI公司的数字信号处理器TMS320F240和AD公司的ADMC331为代表的处理器的推出，使得PWM波的实时计算能很容易地实现，同时因为这些微处理器内嵌了产生PWM波的硬件，使各种PWM波特别是SVPWM波的实时产生成为一件轻松的工作。为此，本文着重分析了几种SVPWM波形的特点，同时给出了对应的工程实现算法，并就这几种算法进行了比较。

2电压型PWM整流器空间矢量脉宽调制的

基本原理

图1表示的是一个典型的三相电压型PWM整流器的结构。VDC为三相整流器直流侧电压， UsA，UsB，UsC分别为三相电网的相电压；URfA，URfB，URfC分别为整流器桥臂中点对三 相电网电压中点的电压值，它们的大小依赖于对应的桥臂上下功率开关的状态，isA，isB， isC分别为三相的线电流。

对于电压型PWM整流器的电流控制有两类不同的控制方法。一是间接电流控制，它不引入电流反馈而直接对整流器进行PWM调制，使其输入端电压为接近正弦的PWM波形，并保持一定的相位，从而使通过电抗器输入的电流为与电源电压同相位的正弦波；二是直接电流控制，需要检测输入电流，并通过电流反馈信号对整流器进行PWM调制，达到控制输入电流波形相位的目的。直接电流控制有多种不同的电流跟踪方法，如滞环控制，空间矢量控制，固定频率的滞环控制，基于自然采样SPWM控制。其中空间矢量PWM是由空间矢量变换概念而来。在采用空间矢量PWM控制的三相电压型整流器中，为了描述方便定义如下空间矢量，其中α=ej2π/3。

——电网电压空间矢量Us=(UsA＋αUsB＋α2UsC)（1）

——桥臂中点电压空间矢量

URf=(URfA＋αURfB＋α2URfC)（2）
——线电流空间矢量Is=(isA＋αisB＋α2isC)（3）

考虑上述变量的基波分量，上述空间矢量Us，URf，Is的关系可用下式表示

URf=Us－Rs×Is－Ls×dIs/dt（4）

用CPU进行数字运算时上式可变为

URf=Us－Rs×Is－Ls×ΔIs/T（5）

式中：T为一个PWM控制周期，即为主开关器件的开关周期。

CPU检测电网电压可以计算出电网电压空间矢量，检测电感中的电流可以计算出电流矢量，再和指令电流矢量比较可以得到ΔIs，再由式（5）就可以计算出桥臂中点电压矢量。再经过空间矢量调制算法计算出下个PWM控制周期每个开关管的导通时间，这样就可以控制整流器入端的电流。当PWM整流器入端的电流和电网电压同相位时，这时PWM整流器的功率因数很接近1，即为通常所说的PFC控制；如果PWM整流器的交流侧是和其它功率负载并联接入电网，而且控制PWM整流器的入端电流使得它的入端电流和与其并联的功率负载的电流之和接近正弦且与电网电压同相位，那么PWM整流器起消除电网谐波的作用。

整流器的6个开关器件的开关顺序必须遵从下面的要求。

（1）其中的3个开关总是处于开通状态，而其余的3个总处于关断状态。

（2）同一桥臂的上下两个开关由互补的两个脉冲信号控制，并且必须保证控制上下桥臂的脉冲信号没有重叠部分，这样就不会出现上下桥臂的直通短路。

这6个开关器件可以形成8种导通模式，这8种模式对应8种空间矢量，在一个PWM控制周期内可以通过这8种矢量的不同组合，让它在一个PWM控制周期产生的效果等于式（5）计算出的桥臂中点电压矢量作用一个PWM控制周期。这样就达到了控制整流器交流侧电感中的电流的目的。

3SVPWM波在DSP中的实现方法

由式（5）可以计算出一个PWM周期桥臂中点的电压矢量URf，从其在d、q轴投影得到其 d、q轴的分量分别为Ud、Uq，那么CPU下一步就要由Ud、Uq的值计算出三个桥臂每个开关 管的占空比，从而给各个桥臂正确的触发脉冲。用什么样的算法来得到每个开关管的占 空比就是本节要讨论的问题。