两种优化开关模式在高频SVPWM逆变电源中的应用

摘要：针对数字化高频空间矢量脉宽调制（SVPWM）逆变电源的特殊要求，对SVPWM算法进行了改进，并提出两种适用于高频SVPWM算法的优化开关模式。最后分别采用纯软件方法和硬件结合DSP内部空间矢量PWM集成硬件的混合方法，来实现两种优化开关模式在一高频SVPWM逆变电源样机中的应用。该样机采用TMS320LF2407A构成的最小控制系统，可输出0～1000Hz连续可调的三相交流电。

关键词：高频；逆变器；电压空间矢量；数字信号处理器；开关损耗

0 引言

现代化工业生产中高速电机和超高速电机被广泛应用于诸如高速机床，涡轮分子泵，离心机，压缩机，飞轮贮能以及小型发电设备等工业领域。为使一台电机的转速达到60000r/min，逆变器必须提供至少1000Hz基频的交流电。

目前，国内在高频逆变器领域的研究中，主要还是采用正弦脉宽调制（SPWM）技术[1]。近年来出现了在正弦波中注入零序信号的非正弦脉宽调制技术。电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）即是在正弦波中注入适当的三次谐波的非正弦调制技术，它的线性调制度较SPWM高15％，而且输出谐波小。由于空间矢量控制实时算法含多个乘法运算和矩阵运算，而使运算量大，所以，对CPU的运算速度和数据处理技术要求就更高。为实现SVPWM的在线运算，有人采用双CPU，双口RAM并行工作的原理，这样虽然高速性很好，但用两片CPU明显提高了设计难度和成本；而且在高频数字化控制领域，上述结构中CPU的数据交换和处理速度也将无法满足要求。本文针对全数字化高频SVPWM逆变电源对高速性、实时性、可靠性的要求，首先，改进了SVPWM算法，然后，在总结SVPWM开关模式后，提出了两种适合于高频SVPWM算法的优化开关模式，并在由TI公司高性能数字信号处理器TMS320LF2407A组成的高频逆变数字控制系统中给予实现，同时进行了对比研究。

1 SVPWM的算法改进及两种优化开关模式

对于三相电压源型逆变器的6个开关管，用“1”和“0”分别代表上下桥臂的开、关状态，则开关信号共有8种组合，U₁（100），U₂（110），U₃（010），U₄（011），U₅（001），U₆（101），以及U₀（000）和U₇（111）。这8种组合，在复平面上，分别产生8种电压向量，如图1所示。其中U₀及U₇为零向量，6个非零向量构成了图中的六边形，并将六边形分为6个扇区。图中所示六边形内切圆和略小的同心圆分别表示SVPWM和SPWM的直流电压利用率。空间电压矢量法即是通过选取同一扇区中相邻两个非零矢量和适当的零矢量来合成一个等效的空间旋转电压矢量U_ref（该电压向量在空间上理想轨迹是一个圆），调控U_ref的频率、幅值和相位，即可实现逆变器输出电压频率、幅值和相位的控制。设T₁及T₂分别为同一扇区两相邻非零向量U_X及U_X±1，在同一个采样周期中对应的作用时间，T₀为零向量作用时间，由SVPWM的原理可得式（1）。

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

图1 空间矢量图

对式（1），文献[2]给出T₁，T₂和T₀的解，如式（2）。

(2)

式中：0≤α≤π/3，为U_ref与A（或D）轴的夹角；

T₁＋T₂＋T₀=T=T_PWM，为控制周期；

m为调制度。

这种解法在U_ref的幅值和相位已知条件下，可以精简控制算法，但在电机控制算法中，比如常用的转子磁场定向控制或气隙磁场定向控制中，电压的给定量[U_d，U_q]^T通常是由电流内环i_d及i_q通过电流调节器，或是文献[3]中所述，直接对i_d及i_q进行定子电压解耦得到，而此时再用以上求解算法需先把给定量转换为U_ref的向量表达式，这将会加大指令开销，不利于快速实时控制，所以，有必要对式（1）的求解方法进行改进。

设D及Q为固定于定子的坐标轴系，且D轴与电机A轴重合，Q轴超前D轴90°。通过式（3）可以进行磁势不变的坐标变换，得到对应于U₁～U₆₆个非零向量在D及Q坐标轴系上的表示，即U₁对应S₁（2/3，0），U₂对应S₂（1/3，1/）等，如图1中所示。

= （3）

由式（1）及式（3）可以得到一种求T1，T2和T0的新方程组式（4）。

（4）

对于式（4），在软件中的求解是根据[S_X，S_X±1]所在的扇区数S（S=0，1，2，3，4，5）作一个关于[S_X，S_X±1]^－1的长度为24（每扇区4个）的表格，存入DSP的程序存储器，在程序运行中进行查表计算，这样可以方便快速地进行矩阵运算，而且运算量小，速度快，适合于高频逆变电源的控制要求。此外，无论电机采用经典的V/F控制还是采用先进的转子磁场定向控制等，都可采用此改进算法。

由式（4）可知，只要各向量的开关时间满足T₁，T₂和T₀的关系，即可实现电压空间矢量脉宽调制技术，对于开关状态的先后顺序及起点时间并无限制，这就为减少开关动作次数和减少谐波的优化控制提供了可能。图2列出了所有可能的空间矢量开关状态变化图，每个箭头表示一个开关动作。例如，从开关状态S₀变到S₁，至少需要1次开关动作，而从S₁到S₄则至少需要3次的开关动作。采用适当的开关模式可以减少每个采样周期内的开关动作次数，降低开关损耗，减小开关管的温升，从而保证高频逆变电源的安全运行。经过对比研究，可得出结论：优化的空间矢量开关模式在任意两相邻空间矢量转换中只有一次开关动作。图3及图4分别给出了扇区1中对称和不对称的SVPWM优化开关模式。它们的共同点是：在模式1的一个采样周期中同时用到了S₀和S₇两个零向量；而模式2只用到一个零向量，即S₀或S₇。图3中的模式1在一个采样周期中，3个桥臂有6次开关动作；该开关序列在加入死区后，仍是对称的。模式2在一个采样周期中，3个桥臂只有4次开关动作，开关损耗只有第一种的67％；但该开关序列在加入死区后是不对称的，会增加谐波分量。同理分析，图4中的两种模式较之图3中的两种模式，开关次数均减少了一半，但由于它们是不对称的脉冲模式，在输出电流中会造成较大的谐波含量，从而增大脉动转矩，使电机在高速运行时剧烈振动，会引起诸多不安全因素。所以，在高频SVPWM逆变电源中，图3所示的两种优化开关模式是其首选开关模式。以下将对之进行实验分析。

图2 电压空间矢量开关模式图