3相3級(jí)逆變器的中心對(duì)齊SVPWM實(shí)現(xiàn)

摘要

空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)廣泛用于3相逆變器控制系統(tǒng)。SVPWM MCU實(shí)現(xiàn)的最有效方法是中心對(duì)齊PWM，因?yàn)镸CU中的PWM模塊可輕松產(chǎn)生中心對(duì)齊PWM。本文將討論SVPWM實(shí)現(xiàn)方法，并介紹一種輕松實(shí)現(xiàn)中心對(duì)齊SVPWM的方法，其適合于片上PWM模塊。

1 引言

SVPWM廣泛用于3相逆變器控制系統(tǒng)，原因是它比正弦脈寬調(diào)制(SPWM)擁有更高的DC側(cè)電壓利用效率。盡管SVPWM具有許多優(yōu)勢(shì)，但是它難以實(shí)現(xiàn)。最難的因素是計(jì)算每個(gè)功率開(kāi)關(guān)的占空比，以及確定每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的矢量扇區(qū)和脈沖序列。許多文章都介紹了3相2級(jí)逆變器的占空比計(jì)算方法，并且我們可以使用許多方法來(lái)計(jì)算出矢量序列(例如，中心對(duì)齊方法，它可以在MCU平臺(tái)中輕松地實(shí)現(xiàn))。

為了改善3相逆變器的系統(tǒng)效率，3級(jí)或者多級(jí)逆變器正變得越來(lái)越流行。相比2級(jí)逆變器，3級(jí)逆變器擁有更多的功率開(kāi)關(guān)(最多可達(dá)12個(gè));這就意味著，3級(jí)逆變器比2級(jí)逆變器擁有更多的矢量扇區(qū)。因此，相比2級(jí)逆變器，3級(jí)逆變器SVPWM的占空比計(jì)算和矢量計(jì)算更加復(fù)雜。

本文[1]介紹了一種計(jì)算矢量扇區(qū)的簡(jiǎn)單方法。計(jì)算過(guò)程總共只有2步，第1步把整個(gè)矢量分為6個(gè)主要扇區(qū)。這一步與2級(jí)逆變器的扇區(qū)計(jì)算方法非常類似。第2步，把基準(zhǔn)扇區(qū)重新定位至這6個(gè)扇區(qū)之一中，然后把這個(gè)主扇區(qū)分為6個(gè)子扇區(qū)。這種計(jì)算方法可用于2級(jí)逆變器，用于確定有效矢量和計(jì)算其停頓時(shí)間。但是，我們還沒(méi)有討論每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的矢量序列，并且占空比計(jì)算方法很難在MCU應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。本文[2]把相同方法用于計(jì)算矢量。重新定位的零矢量作為2級(jí)逆變器的零矢量，則得到的矢量序列與2級(jí)逆變器一樣。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，MCU用于產(chǎn)生序列信號(hào)，并把外圍邏輯電路用于每個(gè)功率開(kāi)關(guān)的已實(shí)現(xiàn)PWM生成。我們并未介紹沒(méi)有外圍邏輯電路且適合于MCU實(shí)現(xiàn)的方法。

SVPWM MCU實(shí)現(xiàn)的最有效方法是中心對(duì)齊PWM，因?yàn)镸CU的PWM模塊可輕松地產(chǎn)生中心對(duì)齊PWM。本文將基于[1]和[2]所述方法，討論SVPWM實(shí)現(xiàn)，并介紹實(shí)現(xiàn)中心對(duì)齊SVPWM的一種簡(jiǎn)單方法，其適合于片上PWM模塊。

2 3相3級(jí)逆變器的基本SVPWM原理

圖1顯示了中點(diǎn)箝位(NPC)型3相3級(jí)逆變器的硬件拓?fù)洹?/p>

圖1 NPC 3相3級(jí)逆變器的硬件拓?fù)?/strong>

圖1中，共有3個(gè)NPC腿(R、S和T);每個(gè)腿包括4個(gè)功率開(kāi)關(guān)。每個(gè)腿的4個(gè)功率開(kāi)關(guān)必須在兩個(gè)補(bǔ)償對(duì)中得到控制。Qx1、Qx3(x = R,S,T)為一個(gè)補(bǔ)償對(duì)，Qx2、Qx4為另一對(duì)。因此，對(duì)于每個(gè)腿而言，它可通過(guò)4個(gè)功率開(kāi)關(guān)輸出3個(gè)不同相位的電壓狀態(tài)。

表1 每個(gè)腿的輸出狀態(tài)

當(dāng)控制每個(gè)腿的功率開(kāi)關(guān)(參見(jiàn)表1)時(shí)共有27個(gè)狀態(tài);每個(gè)狀態(tài)均可映射到α- β坐標(biāo)平面矢量圖。27個(gè)矢量可形成18個(gè)扇區(qū)，如圖2所示。

圖2 3相3級(jí)逆變器SVPWM矢量圖假設(shè)基準(zhǔn)矢量Vref。根據(jù)SVPWM理論，我們必須在圖2中找出兩個(gè)最接近的矢量Vx、Vy以及一個(gè)零矢量Vz，以組成矢量Vref。圖2顯示了Vref和Vx、Vy、Vz之間的關(guān)系。因此，我們可以選擇矢量PNN(Vx)、PNN(Vy)和NNN(Vz)，形成Vref。如果規(guī)定間隔Ts內(nèi)Vx、Vy、Vz的停頓時(shí)間分別為Tx、Ty、Tz，則可得到如下函數(shù)：

但是，僅僅通過(guò)2級(jí)SVPWM中使用的角度還很難確定Vx、Vy、Vz，因?yàn)榧词菇嵌认嗤鶞?zhǔn)矢量可位于不同扇區(qū)內(nèi)。為了確定該扇區(qū)，需要基準(zhǔn)矢量的大小，但它會(huì)增加計(jì)算方法的復(fù)雜度。

[1]和[2]介紹了一種計(jì)算Vx、Vy、Vz的簡(jiǎn)單方法。首先，圖2所示整個(gè)矢量圖被分為6個(gè)主扇區(qū)。每個(gè)主扇區(qū)包含10個(gè)原始扇區(qū)，其會(huì)形成一個(gè)子六邊形。這6個(gè)主扇區(qū)呈60度角差連續(xù)分布。圖3顯示了這6個(gè)主扇區(qū)。

圖3 3級(jí)SVPWM的主扇區(qū)

給定基準(zhǔn)矢量Vref情況下，可僅利用該角度計(jì)算主扇區(qū)。例如，圖4中，Vref和α軸之間角度θ為+60度到-60度，其意味著Vref主扇區(qū)為扇區(qū)1。