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兩種優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式在高頻SVPWM逆變電源中的應(yīng)用
摘要：針對(duì)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(duì)SVPWM算法進(jìn)行了改進(jìn)，并提出兩種適用于高頻SVPWM算法的優(yōu)化開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)兩種優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式在一高頻SVPWM逆變電源樣機(jī)中的應(yīng)用。該樣機(jī)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(jī)和超高速電機(jī)被廣泛應(yīng)用于諸如高速機(jī)床，渦輪分子泵，離心機(jī)，壓縮機(jī)，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(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到60000r/min，逆變器必須提供至少1000Hz基頻的交流電。
目前，國(guó)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(lái)出現(xiàn)了在正弦波中注入零序信號(hào)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(dāng)?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(shí)時(shí)算法含多個(gè)乘法運(yùn)算和矩陣運(yùn)算，而使運(yùn)算量大，所以，對(duì)CPU的運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)處理技術(shù)要求就更高。為實(shí)現(xiàn)SVPWM的在線運(yùn)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(jì)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(wú)法滿足要求。本文針對(duì)全數(shù)字化高頻SVPWM逆變電源對(duì)高速性、實(shí)時(shí)性、可靠性的要求，首先，改進(jìn)了SVPWM算法，然后，在總結(jié)SVPWM開(kāi)關(guān)模式后，提出了兩種適合于高頻SVPWM算法的優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式，并在由TI公司高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A組成的頻逆變數(shù)字控制系統(tǒng)中給予實(shí)現(xiàn)，同時(shí)進(jìn)行了對(duì)比研究。
1 SVPWM的算法改進(jìn)及兩種優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式
對(duì)于三相電壓源型逆變器的6個(gè)開(kāi)關(guān)管，用“1”和“0”分別代表上下橋臂的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)，則開(kāi)關(guān)信號(hào)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(fù)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(gè)非零向量構(gòu)成了圖中的六邊形，并將六邊形分為6個(gè)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。空間電壓矢量法即是通過(guò)選取同一扇區(qū)中相鄰兩個(gè)非零矢量和適當(dāng)?shù)牧闶噶縼?lái)合成一個(gè)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(gè)圓），調(diào)控Uref的頻率、幅值和相位，即可實(shí)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(gè)采樣周期中對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間，T0為零向量作用時(shí)間，由SVPWM的原理可得式（1）。
圖4 兩種不對(duì)稱(chēng)的優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式
TPWMUref=T1UX＋T2UX±1＋T0(UoorU7) (1)
對(duì)式（1），文獻(xiàn)[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(jiǎn)控制算法，但在電機(jī)控制算法中，比如常用的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制或氣隙磁場(chǎng)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(guò)電流調(diào)節(jié)器，或是文獻(xiàn)[3]中所述，直接對(duì)id及iq進(jìn)行定子電壓解耦得到，而此時(shí)再用以上求解算法需先把給定量轉(zhuǎn)換為Uref的向量表達(dá)式，這將會(huì)加大指令開(kāi)銷(xiāo)，不利于快速實(shí)時(shí)控制，所以，有必要對(duì)式（1）的求解方法進(jìn)行改進(jìn)。
設(shè)D及Q為固定于定子的坐標(biāo)軸系，且D軸與電機(jī)A軸重合，Q軸超前D軸90°。通過(guò)式（3）可以進(jìn)行磁勢(shì)不變的坐標(biāo)變換，得到對(duì)應(yīng)于U1～U66個(gè)非零向量在D及Q坐標(biāo)軸系上的表示，即U1對(duì)應(yīng)S1（2/3，0），U2對(duì)應(yīng)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(duì)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(gè)關(guān)于[SX，SX±1]－1的長(zhǎng)度為24（每扇區(qū)4個(gè)）的表格，存
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