王水魚，肖寶峰
?。ㄎ靼怖砉ご髮W(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048）
摘要：對(duì)SVPWM過調(diào)制控制原理進(jìn)行了分析，把調(diào)制區(qū)域分為兩個(gè)部分，并用相應(yīng)的控制策略來實(shí)現(xiàn)。為便于工程實(shí)現(xiàn)，對(duì)雙模式過調(diào)制方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即在過調(diào)制Ⅰ區(qū)只修改電壓矢量的幅值，不改變相位；而在過調(diào)制Ⅱ區(qū)使用相位跳變的方式來修改電壓矢量的相位。這種方法可以控制逆變器從線性調(diào)制模式平滑過渡到六拍波模式。最后，利用Verilog HDL編寫代碼、設(shè)計(jì)程序，并用Modelsim軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。從仿真結(jié)果可以看出，這種過調(diào)制方法是可行的。
關(guān)鍵詞：SVPWM；過調(diào)制控制；逆變器；電壓利用率
0引言
將SVPWM控制方法應(yīng)用在逆變器控制系統(tǒng)中，相對(duì)于常規(guī)六拍階梯波形，可以得到更好的輸出電壓波形，同時(shí)直流電壓利用率能夠提高15%左右，并且可以降低30%左右的開關(guān)損耗，動(dòng)態(tài)性能更好［1］。
但是在有些場(chǎng)合需要輸出更高的交流電壓，當(dāng)出現(xiàn)過調(diào)制時(shí)，輸出的基波電壓與調(diào)制度不再是線性關(guān)系，輸出電壓部分受控。因此，對(duì)過調(diào)制方法的研究非常重要。在參考文獻(xiàn)［2-3］中，分別將過調(diào)制區(qū)域分為兩部分，并對(duì)其算法進(jìn)行了相應(yīng)的分析。本文研究了一種易于工程實(shí)現(xiàn)的過調(diào)制算法，并用Modelsim進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明該算法是可行的。
1SVPWM原理
空間電壓矢量如圖1所示。逆變器開關(guān)有8個(gè)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)8個(gè)基本電壓矢量，包括6個(gè)非零矢量分別為U1、U2、U3、U4、U5、U6和兩個(gè)零矢量U0、U7。電壓空間被這8個(gè)電壓矢量分為6個(gè)扇區(qū)。任何一個(gè)空間電壓矢量都可以由每個(gè)扇區(qū)內(nèi)相鄰的兩個(gè)非零矢量和零矢量合成［4］。
根據(jù)伏秒平衡原理，可以計(jì)算出每個(gè)扇區(qū)內(nèi)基本電壓矢量的作用時(shí)間，然后合成任意電壓矢量。為了減少諧波，通常采用七段式分配方法，即在一個(gè)周期內(nèi)零矢量均勻地分布在開頭和中間，保證每次只有一個(gè)開關(guān)動(dòng)作。
2過調(diào)制算法的原理
定義調(diào)制度為：
式（1）中分母為逆變器在六拍波狀態(tài)下輸出的相電壓幅值，分子為參考電壓幅值。根據(jù)調(diào)制度的不同，將調(diào)制區(qū)域劃分為線性調(diào)制區(qū)、過調(diào)制Ⅰ區(qū)、過調(diào)制Ⅱ區(qū)。
2.1線性調(diào)制區(qū)
如圖1所示，當(dāng)參考電壓矢量在正六邊形內(nèi)部時(shí)，可以用8個(gè)基本電壓矢量來合成。此時(shí)，電壓矢量的軌跡為圓形。利用伏秒平衡原則計(jì)算出扇區(qū)內(nèi)相鄰兩個(gè)非零矢量的作用時(shí)間和零矢量的作用時(shí)間，然后合成電壓矢量。
當(dāng)m=0.906 9時(shí)，電壓矢量的軌跡為正六邊形的內(nèi)切圓，輸出基波電壓達(dá)到線性調(diào)制區(qū)的最大值。
2.2過調(diào)制Ⅰ區(qū)
如圖2所示，在過調(diào)制Ⅰ區(qū)，只改變電壓矢量的幅值，而不更改電壓矢量的相位。即將超出正六邊形邊界的電壓矢量限制在六邊形邊界上，而輸出電壓矢量的相位與參考電壓矢量相同，以減少諧波。其中，外圓為期望的參考電壓矢量，內(nèi)圓為調(diào)制后輸出電壓矢量的基波分量。修改后的輸出電壓矢量為粗實(shí)線所示。
可以得到參考角度α1的計(jì)算公式為：
由式（1）和式（2）可以得到參考角度α1與調(diào)制度m的關(guān)系，當(dāng)參考角度為π6時(shí)，調(diào)制度為0.909 6，此時(shí)輸出電壓矢量是正六邊形的內(nèi)切圓；而當(dāng)參考角度為0時(shí)，調(diào)制度為0.951 7，此時(shí)輸出電壓矢量軌跡是正六邊形的邊界［5］。
以第一象限為例，修改后輸出電壓幅值和輸出電壓相位的關(guān)系為：
2.3過調(diào)制Ⅱ區(qū)
當(dāng)調(diào)制度增大到0.951 7時(shí)，輸出電壓矢量的軌跡為正六邊形的邊界，調(diào)制度再增大的話，參考電壓矢量將超出正六邊形的邊界，此時(shí)，只能通過延長(zhǎng)基本電壓矢量的作用時(shí)間來進(jìn)行補(bǔ)償。
如圖3所示，U為修改后輸出電壓的基波幅值。在過調(diào)制Ⅱ區(qū)是通過α2來控制輸出電壓的相位，當(dāng)參考電壓矢量的相位小于α2時(shí)，實(shí)際輸出的電壓矢量是非零基本電壓矢量。當(dāng)參考電壓矢量的相位達(dá)到α2時(shí)，實(shí)際輸出電壓矢量開始追趕參考電壓矢量，并且在π6處重合，此時(shí)輸出電壓矢量的旋轉(zhuǎn)速度大于參考電壓矢量；當(dāng)相位超過π6時(shí)，輸出電壓矢量的旋轉(zhuǎn)速度小于參考電壓矢量。
電壓矢量是交替領(lǐng)先的，相位在不停地變化，控制起來比較復(fù)雜?？梢酝ㄟ^相位跳變的方式來改變電壓矢量的相位，這樣輸出電壓諧波會(huì)稍微增大，但是可以得到算法上的簡(jiǎn)化，利于工程實(shí)現(xiàn)。
在α2內(nèi)實(shí)際輸出電壓矢量為基本電壓矢量，相位為0。當(dāng)參考電壓矢量相位達(dá)到α2時(shí)，實(shí)際輸出電壓矢量和參考電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)，相位從α2開始，與參考電壓矢量相位相同。修改后輸出電壓矢量的軌跡為圖3中粗實(shí)線所示。以第一象限為例，實(shí)際輸出電壓矢量幅值和參考電壓矢量相位的關(guān)系為：
α2與調(diào)制度m之間的關(guān)系不是線性的，在工程實(shí)現(xiàn)中需要離線計(jì)算或者將其線性化。分段線性化之后的計(jì)算公式為：
3算法的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證
算法的主流程圖如圖4所示，根據(jù)參考電壓矢量計(jì)算出調(diào)制度，然后按照調(diào)制度的大小將調(diào)制區(qū)域分為3個(gè)部分，即線性調(diào)制區(qū)、過調(diào)制Ⅰ區(qū)、過調(diào)制Ⅱ區(qū)。分別采用相應(yīng)的調(diào)制方法進(jìn)行處理。
在過調(diào)制Ⅰ區(qū)，由式（2）和式（3）計(jì)算出參考角度α1和輸出電壓修改后的幅值，計(jì)算出矢量的作用時(shí)間，然后按照過調(diào)制Ⅰ區(qū)的方法修改矢量的作用時(shí)間，其流程如圖5所示。
在過調(diào)制Ⅱ區(qū)，由式（4）和式（5）計(jì)算出α2和輸出電壓修改后的幅值，計(jì)算矢量作用時(shí)間，然后按照過調(diào)制Ⅱ區(qū)的方法修改矢量的作用時(shí)間，其流程如圖6所示。
本文采用Modelsim軟件進(jìn)行編程和仿真驗(yàn)證，圖7為不同調(diào)制度下的SVPWM調(diào)制波波形，每個(gè)調(diào)制度取兩個(gè)周期，調(diào)制度分別為0.904 0、0.934 3、0.959 6、1。
從圖7中可以看到，調(diào)制波的波峰逐漸消失，最后為方波狀態(tài)。與此同時(shí)逆變器逐漸從線性調(diào)制區(qū)過渡到過調(diào)制Ⅰ區(qū)、過調(diào)制Ⅱ區(qū)，最后工作在六拍波狀態(tài)。
4結(jié)論
本文研究了一種SVPWM過調(diào)制方法，詳細(xì)推導(dǎo)了該算法的基本原理和實(shí)現(xiàn)步驟，并進(jìn)行了簡(jiǎn)化，使其易于工程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)上述過調(diào)制方法，調(diào)用Modelsim進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，該過調(diào)制算法可以實(shí)現(xiàn)從線性調(diào)制狀態(tài)到六拍波運(yùn)行狀態(tài)的過渡。
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