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空间矢量脉宽调制

小池
2010-12-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《空间矢量脉宽调制pdf》,可适用于高等教育领域

第卷第期年月 中 国 电 机 工 程 学 报ProceedingsoftheCSEE VolNoMayνChinSocforElecEng文章编号:()空间矢量脉宽调制方法的研究杨贵杰,孙 力,崔乃政,陆永平(哈尔滨工业大学电气工程系,黑龙江省哈尔滨市)STUDYONMETHODOFTHESPACEVECTORPWMYANGGuijie,SUNLi,CUINaizheng,LUYongping(HarbinInstituteofTechnology,Harbin,China)ABSTRACT:InthispapertheprincipleofspacevectorPWMofthethreephaseACmotorisanalyzedOutputcapabilityofthethreephasebridgevoltagesourceinverterisdiscussedSoftwareofthespacevectorPWMareworkedoutandcorrelatedexperimentresultsareachieved,whichbasedonanintegratedDSPmotorcontrollersADMCKEYWORDS:digitalsignalprocessorADMCSVPWM(spacevectorpulsewidthmodulation)摘要:分析了三相交流电机空间矢量脉宽调制的原理,探讨了采用空间矢量脉宽调制三相桥式电压型逆变器的电压输出能力。在集成DSP电机控制器ADMC软硬件结构的基础上,编制了空间矢量脉宽调制软件,并给出了相应的实验结果。关键词:数字信号处理器ADMC空间矢量脉宽调制中图分类号:TM   文献标识码:A 引言在高性能全数字控制的交流伺服驱动系统中,通常采用数字脉宽调制方法来代替传统的模拟脉宽调制。然而,数字脉宽调制技术远不象传统的模拟脉宽调制技术那样成熟。综观现有的文献,数字脉宽调制方法多采用规则采样技术求取三角载波与所希望的调制函数相比较的直接数学方程式,PWM信号是通过对规则采样技术获得的数学方程式的计算得到的。这种数字脉宽调制方法仅仅是对模拟自然采样的三角波正弦波SPWM方法的近似。近年来,一种新的脉宽调制技术,即空间矢量脉宽调制SVPWM技术在交流驱动系统中得到了广泛的应用,相应的数字计算方法形成的空间矢量脉宽调制信号与传统的三角波正弦波比较获得的脉宽调制SPWM信号相比,有更多优点。为此,本文着重分析了空间矢量脉宽调制技术的基本原理及工程实现,并分析比较了这种脉宽调制方法的优缺点。 空间矢量脉宽调制原理对于三相电压型逆变器而言,电机的相电压依赖于它所对应的逆变器桥臂上下功率开关的状态。三相桥式电压型逆变器有种工作状态,这种空间状态用矢量的概念来表示,如图所示。从图中可以看出,状态Vs到状态Vs为工作状态,个空间矢量幅值相等相位互差π电角度,Vs和Vs状态为自由轮换状态。图 状态矢量的开关状态结构图和三相电压源逆变器的空间矢量图Fig Configurationoftheswitchesinthestateandvoltagespacevectorsforathreephasevoltagesourceinverter  根据三相系统向两相系统变换保持幅值不变的原则,定子电压的空间矢量可表示为   Vs=(VsAαVsBαVsC)()式中 α=ejπ。个空间矢量的大小可以用下列方程式表示Vsk=VDCexp(k)πk=,,⋯,k=,()式中 VDC为逆变器的直流母线电压。在αβ参考坐标系中,任何个参考电压空间矢量Vsref可以写成Vsref=VsαjVsβ()尽管逆变器不能直接将Vsα和Vsβ转换成所需要的电压,但可以通过VSk和VSk个满足逆变器工作状态的矢量来获得。将其用逆变器开关导通状态可表示为Vsref=TkTsVskTkTsVskk=,,⋯,()式中 Tk和Tk分别为在逆变器相邻个工作状态Vsk和Vsk的导通时间,用公式表示为Tk=TsVDCVsαsinkπVsβcoskπTk=TsVDCVsβcos(k)π   Vsαsin(k)π()在个完整的调制周期Ts内,除了Tk和Tk的导通时间其余为状态时间。状态时间T由个自由轮换状态时间T和T用等式表示  T=TT=TsTkTk()由于状态存在于每一个区域内,一般发生在每个调制周期的开始和结束时,总的状态时间一般分成个相同的状态时间,即T=T=T()以便获得对称的空间矢量脉宽调制信号。依据式()~式()可得到对应电压空间矢量Vsref在<θ<π扇区内双边空间矢量脉宽调制的逆变器开关信号,如图所示。类似的方法可以计算出电压参考信号Vsref在其它区域内双边空间矢量脉宽调制的三相逆变器开关时间,如表所示。表 在个区域内双边空间矢量脉宽调制的三相逆变器开关时间Tab ThreephaseinverterswitchingtimesfordoubleedgeSVPWMinsectorsθTAonTBonTCon≤θ<πTTTTTTπ≤θ<πTTTTTTπ≤θ<πTTTTTTπ≤θ<πTTTTTTπ≤θ<πTTTTTTπ≤θ<πTTTTTT图 在<θ<π区域内双边空间矢量脉宽调制的逆变器开关信号Fig InverterswitchingsignalsfordoubleedgeSVPWMinsector<θ<π在工程应用中,希望产生对称的正弦电压,相对应的空间矢量的轨迹是个圆。参考电压矢量Vsref可表示为Vsref=Vsrefejθ=Vsrefcos(θ)jVsrefsin(θ)()式中 Vsref为相电压的幅值θ=ωet,ωe为相电压的角频率。相应的式()可表示为Tk=VsrefTsVDCsinkπcos(θ)coskπsin(θ)Tk=VsrefTsVDCsin(k)πcos(θ)   cos(k)πsin(θ)()当参考矢量在≤θ≤π扇区内,即k=时,          中 国 电 机 工 程 学 报               第卷个开关周期内逆变器的输出相电压表示为VAO=VDCTsTTTTTTT  =VsrefcosθπVBO=VDCTsTTTTTTT  =VsrefsinθπVCO=VAO()类似的方法,根据式()可以推出个扇区的电压表达式为:VAO(θ)=Vsrefcosθπ≤θ≤πVsrefcos(θ)π≤θ<πVsrefcosθππ≤θ≤πVsrefcosθππ≤θ≤πVsrefcos(θ)π≤θ<πVsrefcosθππ≤θ≤π()相应VAO的电压波形,如图所示。图 空间矢量脉宽调制逆变器输出相电压波形Fig PhasevoltagewaveofinverterfortheidealSVPWM同样的方法可以推出VBO、VCO。对应的线电压表示为VAB(θ)=VAO(θ)VBO(θ)=VsrefsinθπVBC(θ)=VAB(θ)θπVCA(θ)=VAB(θ)θπ()由式()可见,理想的空间矢量脉宽调制逆变器输出线电压波形为正弦波。 空间矢量脉宽调制逆变器输出电压约束  对于三相交流电机系统,要求空间脉宽调制产生三相对称的基波相电压信号,用方程式表示为  VA=Vsin(θ)VB=VsinθπVC=Vsinθπ()式中 V为基波相电压的幅值θ=ωet,ωe为基波相电压的角频率。将式()进行克拉克变换得αβ相坐标系,则有Vsref=Vsin(θ)jVcos(θ)jVejθ()将式()的参考电压空间矢量在复平面用半径为旋转角速度为ωe的圆轨迹表示,如图所示。从图中可以看出,采用空间矢量脉宽调制输出的最大基波相电压幅值是与六角形相切的圆的半径OM。在三角形ΔOML中,OL=VDC,OM=VDC,即空间矢量脉宽调制输出的最大基波电压幅值为V,SVM=VDC()图 参考电压空间矢量圆轨迹Fig Referencevoltagespacevectortrajectory在实际系统中,特别是在电机系统突然加减速时电机转矩变化较大,数字电流环提供的电压参考矢量,很可能超出逆变器输出最大电压时的参考信号。因此,为保证合适的空间矢量脉宽调制方案,必须对电压参考信号或逆变器的输出能力加以约束。对电压参考信号的约束,可采用如下方法若 (Vsα)(Vsβ)>V,SVM()令 V″sref=V″sαjV″sβ() 第期              杨贵杰等: 空间矢量脉宽调制方法的研究则 V″sα=V,SVM(Vsα)(Vsβ)·VsαV″sβ=V,SVM(Vsα)(Vsβ)·Vsβ()对逆变器输出能力的约束,可采用限制开关的导通时间来实现。若      TkTk>Ts()则取     T″k=TsTkTk·TkT″k=TsTkTk·Tk()这样合成的电压矢量限定在图中的空间矢量PWM圆轨迹中。 SVPWM与SPWM的输出电压的比较SVPWM与SPWM的输出电压的比较可以从调制比Μ的变化加以分析。调制比M可定义为M=VVDC()将式()用调制比Μ来表示,可写为Vsref=jMVDCejθ()由文,可知,传统的正弦波与三角载波相比较得到的PWM调制信号,其逆变器输出的最大基波相电压的幅值为V,SPWM=VDC,将其代入式(),得SPWM方式最大调制比Mmax=。采用空间矢量脉宽调制输出的基波相电压最大电压幅值为V,SVM=VDC,将其代入式(),得SVPWM方式最大调制比Mmax=≈。由图可见,SPWM方式逆变器输出最大基波相电压矢量在半径ON=VDC的圆形轨迹上。在SVPWM方式中,空间矢量脉宽调制输出的最大基波相电压幅值等于与六角形相切的圆的半径OM=VDC。 基于ADMC的软件空间矢量脉宽调制的算法与实现  单片集成DSP电机控制器ADMC集成了个MIPS,位定点的DSP内核ADSP和一系列电机控制设备。ADMC的DSP内核包括个独立的全功能硬件单元,个位算术逻辑单元ALU,个位乘法累加器MAC和个位柱形移位器SHIFTER,采用并行结构体系,应用并行处理技术加快程序的执行。可在单周期内完成乘法、乘加运算和加法及移位运算。ADMC的外设包括个灵活的三相位PWM发生器,能够编程产生精确的PWM信号路ý型AD变换通道,最高分辨率为位,最高采样频率为kHz个串行口和个路数字IO口。基于ADMC的软件空间矢量脉宽调制的算法的程序框图,如图所示。图 空间矢量脉宽调制的算法Fig Spacevectormodulationalgorithm图给出了某巡航导弹目标成像器无刷直流电机系统,在ADMC开发系统上运行的αβ坐标系空间参考矢量Vα和Vβ的波形图为该无刷直流电机三相电压型逆变器,在直流母线电压VDC=V时,滤去载波(f=kHz)后的相电压波形VAO和VBO,从图中可以看出相电压VAO和VBO的幅图 参考矢量Vα和Vβ波形Fig ReferencevectorVαandVβwave值约为V(图中示波器探头衰减倍)图为          中 国 电 机 工 程 学 报               第卷VAO相电压的频谱分析,相电压波形中主要成分为基波,其次是三次谐波成分图为A相与B相的线电压波形VAB,线电压的幅值约等于直流母线电压V。可以看出,线电压具有良好的正弦性,能够保证电机系统的良好的控制特性。图 逆变器相电压输出波形Fig Inverterphasevoltagesoutputswave图 逆变器输出相电压VAO的频谱分析Fig SpectrumanalysisofinverterphasevoltagesVAO图 逆变器线电压输出波形FigureInverterlinevoltagesoutputswave 结论()在相同的直流母线电压VDC下,采用空间矢量脉宽调制方式有效地扩展了逆变器输出基波相电压的线性范围,使得逆变器在线性调制范围内输出的最大基波相电压的幅值是传统的正弦波PWM输出的最大基波相电压的倍,能更好的利用电源电压。()在实际系统中,保证合适的空间矢量脉宽调制方案,必须对电压参考信号或逆变器的输出能力加以约束。()在以集成DSP电机控制器的全数字矢量控制交流电动机系统中,由于DSP快速运算能力和数据处理器能力,完成空间矢量脉宽调制所需要的时间是很少的。且实验结果,验证了空间矢量正弦波脉宽调制算法的正确性。参考文献: SatoshiOgasawaraAnovelPWMschemeofvoltagesourceinvertersbasedonspacevectortheoryCEPEAachen: AlbertoJPSoftwarepulsewidthmodulationforupcontrolofACdrivesJIEEETransonIA,,(): MurrayA,KettlePTowardsasinglechipDSPbasedmotorcontrolsolutionJProceedingPCIM,Nuremberg,,():CD〗收稿日期: 改回日期:。作者简介:杨贵杰(),男,副教授,在职博士研究生,研究方向为电机驱动控制系统孙 力(),男,教授,博士生导师,研究方向为惯导测试与仿真转台电机驱动系统,电力电子崔乃政(),女,讲师,在职硕士研究生,研究方向为电机测试系统陆永平(),男,教授,博士导师,研究方向为一体电机系统。(责任编辑 丁玉瑜)《煤粉燃烧》内容简介  该书是在著者多年研究成果的基础上撰写而成的专著。曾多次用于博士、硕士和本科生的培养和锅炉工程师的培训,它结合实际,重在理论探索,内容涉及煤粉的物理化学结构,着火过程和燃尽动力学阐述燃烧射流的基本规律和煤粉燃烧过程的物理模拟及数值计算书中综述了我国煤粉燃烧器的应用成果,深入分析了回流和高浓度煤粉使火焰稳定和燃烧强化机理,介绍了直流煤粉燃烧器的设计和运行的主要问题阐述了共同关心的煤粉燃烧污染及控制问题,其中包括了有机物及CO污染书中较系统地介绍了煤粉火焰辐射图象处理,燃烧诊断和优化控制的最新研究成果最后介绍煤粉燃烧理论和技术的新发展。该书的内容丰富、新颖、理论和工程实际紧密结合。该书可作为电厂热能动力、热能工程、工程热物理、化学工程等专业的教师、研究生和本科生的教学和学习用书,也可供能源、电力、化工、冶金及机械制造等行业的科研和工程技术人员参考。该书由北京科学出版社出版,作者为韩才元、徐明厚、周怀春和邱建荣。 第期              杨贵杰等: 空间矢量脉宽调制方法的研究

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