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1、svpwm近年来，在高性能全数字控制的电气传动系统中，作为电力电子逆变技术的关键，pwm技术从最初追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通的正弦，取得了突飞猛进的发展1 。在众多正弦脉宽调制技术中，空间电压矢量 pwm (或称svpwm )是一种优化的 pwm技术，能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降低脉动转矩，且 其控制简单，数字化实现方便，电压利用率高，已有取代传统spwm的趋势。本文对空间电压矢量pwm的原理进行了深入分析，重点推导了每一扇区开关矢量的导通时间，并在 ti公司生产的dsp上实现三相逆变器的控制，证明了分析的正确和可行性。2 空间电压矢量pwm 原理图1
2、为三相电压源逆变器示意图，sa、sb、sc为逆变器桥臂的开关，其中任一桥臂的上下开关组件在任一时刻不能同时导通。不考虑死区时，上下桥臂开关互逆。将桥臂输入点a、b、c的开关状态用下面的开关函数表示： sk = 1 (桥臂k ,上桥臂导通，下桥臂关断)；sk = 0 (桥臂k,上桥臂关断，下桥臂导通) 由a、b、c的不同的开关组合，可以有 23 = 8个开关矢量(sa sb sc ) ，即卩v0 (000 )v7 (111 ),其中有六个有效开关矢量 v1v6和两个零开关矢量 v0和v7。利用v0v78 个矢量的线性组合可以近似模拟等幅旋转向量，由磁链和电压间简单的积分关系， 可知此时实际的电机
3、气隙磁通轨迹接近圆形。图 2为svpwm 矢量、扇区及每个扇区开关方向图。按图2，有表1所示扇区号与k的关系。图I二相逆变酢和云相电机典型连接曲(001)CI0Ia轴夹角,图2 SVPWM矢、扇疑处开关方向图衷1k1 23456剧区号3154G2其中k为以a轴为起点，以n /3为单位，逆时针方向排列的序号，若B为矢量与则有开关矢議与输出线咀压及输出相 电压V.VJT具有如下芸系svpwm 技术的目的是通过合成与基本矢量相应的开关状态，得到参考电压uout。对于任意小的时间周期t，逆变器输出平均值与 uout平均值相等，如式（3）所示： r r亍Jrf十T“阿卩甘凹）其中tx、tx + 60 （
4、或tx 60 ）分别为一个周期内，开关状态ux、ux + 60 （或ux 60 ）对应的作用时间，ux与ux + 60 （或ux 60 ）是合成uout的基本空间矢量。如果假定在 很小的时间t内参考电压uout的变化很小，则式（3 ）可以变为式（4 ）:t/.ST） -十匚*4八G（4）H中匚+匚屮冬匚在一个完整的调制周期 t内，除了 tx和tx 60的导通时间，其余为零矢量 O000和0111 作用时间（零状态时间）t0 ,当作用时间相等时，直流利用率可以大大提高，故可将（4 ）式表示为（5 ）式：TUm = T.Ur + 匚+ 号0山（5）式中 T, +T0 = T根据三相系统向两相系统变
5、换保持幅值不变的原则，定子电压的空间矢量可以表示为：us专亿+必+陀）6）式中w 士吕*5个非零空何矢at的大小可以用下述方程式表示：如=即击 k T=（7）式中，vdc为逆变器的直流母线电压，而两个零矢量则用 oOOO和0111表示，其实际值为0。在两相叭n摻考坐标系中，合成的空间电压矢就“二可以表示成UZ = V： + Vi（8）由式5）.用于合戒“二的空间矢償可以去示考虑到在具体实现 svpwm时，零状态存在于每一个区域中，一般每个调制周期均以oOOO开始，同时为减少开关损耗，相邻两个作用矢量只有一个开关量变化，即（sa sb sc ）中只有一个变化，故在 0000之后应将u0、u120
6、、u240选作作用矢量，即在每个扇区中非零 矢量的作用顺序如图 2所示。同时，注意到相反方向的两个矢量（即空间上相差180的两个矢量，如U60与u240 ），其开关量（110 ）与（001 ）完全互补，故我们可以通过计算 0180。范围内（即3、1、5扇区）每个矢量的作用时间推出 180。360。矢量作用时间， 进而计算出所有扇区的矢量作用时间。当k = 1时，相应的电压矢量为 U0和u60，由（7 ）式知：%=初仞=舟#&3 开关矢量开关时间的计算由上述分析，我们可以画出如图3所示的开关矢量开关时间计算图3 ，图3是k=1时开关时间计算图，注意到为使计算方便，坐标系如图3定义：工井关矢开关时
7、间计尊图对于三介形由三角形的正弦定理有: 而BC CA.y msintf.2兀sm(- ff)sin 英中而 命 jvTBC = VTMtCA =叱 * 弘等心2比 V KnTt =- 3J(* 1,2.3)14)综合以上三式，可得出 k=1、2、3时一个周期内两个相邻矢量的作用时间:Ts =_。？巧%(* = K2.3)14)由前面的分析可知，k = 4、5、6时一个周期内相应矢量的作用时间分别与k = 1、2、3时作用矢量顺序相反而时间值相等，即T, = V *Tsin3- _ tf尸3 1-厂巧 叩)胃 r !式（14 ）、（ 15 ）组成了 svpwm 中各扇区相应电压矢量的作用时间表
8、达式，本文后面的 软件实现中将直接利用该结果。另外* SPWM输岀电压为标血，宦X识1制系 z ； 切呷电压矢iua点轨迹未粗岀 形时必有i所以m、.:* * / 三二=L ku /f效地扩展了逆变器输岀爪淤相 V 3电压的线件范围:U4 基于tms320f240 的空间矢量脉宽调制技术的算法实现tms320f240 系统的544k字片内ram ，采用tms320f240系统实现svpwm具有精度高且实现方便的特点。指令周期为50 ns，运算速度快；指令系统丰富灵活，指令效率高；有16k字闪存（flasheeprom ） ； 3个全比较单元输出六路互补pwm 4 。在实现svpwm的过程中，可
9、以采用定时器连续加/减计数从而生成对称pwm。软件实现中，以ua u B作为输入，直流母线电压 vdc为参数，输出为三相对称pwm模式。程序编写包括主程序和一个定时器周期寄存器中断子程序，主程序根据电机控制策略计算出所需要的频率f，等待中断的产生。在定时器中，根据此时f和uout的当前位置确定出下一个载波周期中 uout的位置，查转换模式表得到需要的两个作用矢量，并计算出它们 的作用时间t1 , t2。i / o、gp定时器图4为svpwm 中断的子程序流程图。在进入中断前，系统配置、外设、 及各变量均已初始化完毕。？|谢驴确定y伽的犀区竪裝朝工?奇二二屮颠丽jS 4 SVPWM中縣子程序ft
10、flfflF面对该流程图具体实现作一说明。(1 )判断矢量uout所处扇区苜先宦义卍=V,匕皿 B/2Vn = 一 3V. - 8,)/2通过分析丄的值与匕山*的关系可得A = &ign( V,ty) *B = signtl.C 血 n(V“J刚扇区号S二启+ 23 + 4?(2 )确定每个扇区中相应电压矢量的作用时间事实上，由前面的分析可知，由于三角函数具有对称性和周期性，两个相邻电压矢量的作用时间tx、tx 60只有三个数值，具体实现时，由于是对称pwm，故将tx、tx 60分成对称的两个部分，即下述的 x，y，z：了T F “毎小康区对战的作州时何如套2.*值话还 需进行帼和料断即若匚+
11、7 aj1MH2二咅百Y2XX=T-xxz- r- z(3 )确定开关顺序，为比较寄存器赋值定义电压矢量变化点距离时间零点的时间间隔分别为ta、tb、tc,则有:Tt由每个扇区的工作图，为每个扇区的比较寄存器赋值如表3:表3# K .扇区号vj fFw13456CMPR1TtT T.T,T*T,CMPR?7TTtT#T.CM PR 3T,TtT*75实验结果本文结合电动汽车电机控制系统，采用tms320f240 dsp汇编语言编写了开环、载波频率为10 khz、变频范围为0100 hz的svpwm 控制程序。逆变器逆变开关采用igbt，直流电源为蓄电池，驱动的电机为三相异步电机，定子绕组星形接
12、法， 并带一它励直流发电机作为负载。程序每周期内只发生一次定时器周期中断，实时性好，且占用cpu较少，使cpu性。图5、图6分别为控制器输出经过低通滤波后的相电压、 波形图。由图中可见，电压电流的正弦性很好，消除谐波明显,线电压波形和实际测得的电流svpwm 是一种较为优化的.| = *pwm 。IM lurrttMJi* 申昇診圮運眄壯墀沛联抚6结论本文详细阐述了空间电压矢量svpwm 技术的原理，推导了每个扇区开关矢量的作用时间，提出了用一半扇区的开关时间代替全部开关时间的算法，并在ti公司生产的dsp上实现。经过分析和实验，结果表明：（1 ）在相同的直流母线电压下，采用svpwm 方式有效地扩展了逆变器输出基波相电压的线性范围，其线性范围内的输出最大基波相电压幅值是传统spwm 输出最大基波相电压的1 . 15倍，能有效提高电源电压利用率。(2 )只计算0180范围内(即3、1、5扇区)每个矢量的作用时间，再利用各扇区间 矢量的关系及开关顺序，推出 180360矢量的作用时间，进而计算出所有扇区的矢量 作用时间，是完全可能及正确的。(3)在高性能全数字化的矢量控制系统中， 应用dsp处理器，如ti公司生产的tms320f24x 系列产品，由于 dsp 快速的运算能力和数据处理能力，空间电压矢量 pwm 技术实现更准 确、方便，更接近理想正弦磁通控制。