基于SVPWM的变频系统分析设计

张珍敏，赵军红，吕永庆

(第二炮兵工程学院，陕西西安710025)

摘要：介绍了空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)变频的基本原理及其实现方法。详细分析了电压矢量与磁链矢量之间的内在联系．利用Matlab／Simulink买现了对该系统的仿真。结果表明，该系统具有直流电压利用率高、开关损耗小、转矩脉动小的优点。最后介绍了以TMS320LF2407为控制核心的硬件买现方法。

关键词：SVPWM；变频；空间电压矢量；开关损耗；仿真

中图分类号：TM921.51    文献标识码：B

    1 引言

 

    正弦脉宽调制(SPWM)已经广泛应用于生活生产的各个领域，但是由于其直流电压利用率不高而往往受到限制，空间电压矢量脉宽调制法(SVPWM)与SPWM的方法不同，三相SPWM法是从电源的角度出发，着眼于如何生成一个可以调频调压的三相正弦波电源；SVPWM法则是从电动机的角度出发，将电源与电机看作一个整体，着眼

于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场。它以三相正弦波电压供电时的三相对称电动机定子的理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同开关模式所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，在追踪过程中，逆变器的开关模式作适当的切换，从而使输出电压形成PWM波[1]。本文基于该方法实现了对该系统的仿真，该方法能够方便实现不同频率下SVPWM波的生成，控制方法简单，易于编程和数字实现。

 

    2 SVPWM及磁链跟踪基本原理

 

    设电机定子绕组三相电压输入为:

    根据磁动势和功率守恒原则，将=相电压由三相静止坐标系转换到两相静止的α-β坐标系中，得到：

控制。在计算给定电压矢量的时候保持磁链圆的半径不变即可保持磁通幅值不变，所以空间电压矢量控制、磁链跟踪控制仍然是U／F控制。

 

    3系统控制及实现

 

    3.1基本空间电压矢量及扇区分配

参考电压矢量。

 

    3.2 参考空间电压矢量的确定

 

    给定参考电压矢量与磁链矢量的关系如图1所示：

字系统中很容易实现。在低频部分由于定子电阻不可忽略，应该适当补偿给定电压；在额定频率以上时．应该保持参考电压矢量幅值不变，只改变矢量的作用时间T。实质上是减小了磁通，处于弱磁升速状态。

 

    在线性调制区域，给定电压矢量的轨迹为正六边形的边，而这种情况下输出转矩脉动较大，为了避免这种情况，应该使给定电压矢量的****幅值不

值固定在额定电压位置，所以只要电机定子绕组的额定线电压小于或等于电网侧的输入线电压，就司以系统稳定工作在线性调制区域。

 

    3.3 基本空间电压矢量作用时间计算

 

    矢量时间分配如图2所示。

 

    以第一扇区为例，设载波周期为T，如图2。由正弦定理得到：

    其它扇区计算方法相同，考虑到各个扇区矢量的作用顺序，T1始终表示先作用的矢量在每一个载波周期的作用时间[4]。只需要在内存空间中存人一个60°的正弦表便可以方便实现各基本矢量作用时间的计算。用此方法还可以方便地判断扇区：只需要将步长△θ积分，每积分满60°便使扇区数加1(反转则减1)。

 

    为了降低开关损耗，在扇区过渡时应只有一组开关切换，故不同扇区矢量的作用顺序应作以相应改变，如图1箭头所示。为避免频率指令或负载突变造成冲击电流，程序设计中设置了频率变化步长Fstep，对频率的变化量进行限幅处理，每一个载波周期执行一次A／D采样，使频率平稳过渡，同时滤除了各种干扰可能带来的扰动。算法流程图如图3所示。

 

    4 仿真与实验分析

 

    仿真步骤为：根据给定频率产生参考电压；将给定电压矢量转换到α-β坐标系；判断扇区；计算调制系数；计算扇区内两个矢量的作用时间；计算扇区各相对应的导通时间Ta、Tb、Tc；根据各相的导通时间和三角波相比较得到三相的控制脉冲信号。

    电机采用两极三相鼠笼型异步电机，额定功率3.73KW，额定电压380V，定子电阻1.115Ω，电感5.974 mh；转子电阻1.083Ω，电感5.974mh。给定频率50Hz，直流电压537V，载波周期T=2×（10s的-4平方）。仿真过程中扇区的判断结果如图4。A相控制脉冲信号，定子绕组线电压以及定子绕组的相电流如图5。对图5所示定子线电压进行滤波，基波幅值接近380V。对稳态时的相电流进行频谱分析，可以看出在载波比为100时谐波含量已经非常小，如图6所示。

    硬件实现以TMS320LF2407为控制核心，各个参数的计算通过软件完成，过程中将计算得到的每个载波周期各相的占空比装载到比较寄存器CMPRx中，将Ts装载到通用定时器的周期寄存器TxPR中，采用增减计算模式，每次发生比较匹配的

时候执行比较中断，输出相应的控制脉冲。周期匹配的时候执行A／D中断程序，采样给定的频率值，并通过计算得到新的周期值和比较值[5]。整个过程中DSP计算所消耗的时间小于载波周期，可以保证在新的载波周期开始时已经完成新的参数计算，完全满足实时要求。

 

    5 结论

 

    仿真结果表明，基于空间电压矢量的变频调速系统输出电流正弦性好，模型简单，和传统SPWM控制相比有直流电压利用率高，开关损耗小的优点。本文所设计的系统实现了对定子磁链的有效跟踪，扇区判断准确。对频率的变化进行软件限幅处理，有效抑制了频率跳变引起的冲击电流，计算方法简单，易于编程控制和数字实现。

    参考文献：

 

    [1] 刘和平，邓力，江渝，郑群英DSP原理及电机控制应用[M]北京：北京航空航天大学出版社，2006.11.

    [2]吴守箴，臧英杰电气传动的脉宽调制技术[M]北京：机械工业出版社，2004.

    [3] 陈常青基于SVPWM技术的感应电机变频调速系统研究[D]，2004.

    [4] 邓鹏毅．交流感应电机SVPWM变频调速系统研究[D]电子科技大学，2005

    [5] 杜志勇，王鲜劳．基于DSP的感应电动机SVPWM矢量控制调速系统[J]电力电子技术，2007，41(9)：26-28

 

    作者简介：

 

    张珍敏(1985-)，男，在读研究生。研究方向为电力电子与电力传动。