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DSP的空间电压矢量PWM技术研究与实现.doc

DSP的空间电压矢量PWM技术研究与实现

tyhdlz
2009-11-03 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《DSP的空间电压矢量PWM技术研究与实现doc》,可适用于IT/计算机领域

 基于DSP的空间电压矢量PWM技术研究与实现:作者姓名:王晶晶 徐国卿等 引言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[]。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。 空间电压矢量PWM原理图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=(桥臂k上桥臂导通下桥臂关断)Sk=(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=个开关矢量(SaSbSc)即V()~V()其中有六个有效开关矢量V~V和两个零开关矢量V和V。利用V~V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气隙磁通轨迹接近圆形。图为SVPWM矢量、扇区及每个扇区开关方向图。按图有表所示扇区号与k的关系。其中k为以a轴为起点以π为单位逆时针方向排列的序号若θ为矢量与α轴夹角则有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()所示:其中Tx、Tx+(或Tx-)分别为一个周期内开关状态Ux、Ux+(或Ux-)对应的作用时间Ux与Ux+(或Ux-)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()可以变为式():在一个完整的调制周期T内除了Tx和Tx±的导通时间其余为零矢量O和O作用时间(零状态时间)T当作用时间相等时直流利用率可以大大提高故可将()式表示为()式: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以表示为:Us=式中Vdc为逆变器的直流母线电压而两个零矢量则用O和O表示其实际值为。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O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(SaSbSc)中只有一个变化故在O之后应将U、U、U选作作用矢量即在每个扇区中非零矢量的作用顺序如图所示。同时注意到相反方向的两个矢量(即空间上相差°的两个矢量如U与U)其开关量()与()完全互补故我们可以通过计算~°范围内(即、、扇区)每个矢量的作用时间推出°~°矢量作用时间进而计算出所有扇区的矢量作用时间。当k=时相应的电压矢量为U和U由()式知: 开关矢量开关时间的计算由上述分析我们可以画出如图所示的开关矢量开关时间计算图[]图是k=时开关时间计算图注意到为使计算方便坐标系如图定义:其中Ui线电压有效值Up相电压有效值  Λ每相磁链有效值Upm相电压幅值。代入式()可得:综合以上三式可得出k=、、时一个周期内两个相邻矢量的作用时间:由前面的分析可知k=、、时一个周期内相应矢量的作用时间分别与k=、、时作用矢量顺序相反而时间值相等即式()、()组成了SVPWM中各扇区相应电压矢量的作用时间表达式本文后面的软件实现中将直接利用该结果。 基于TMSF的空间矢量脉宽调制技术的算法实现采用TMSF系统实现SVPWM具有精度高且实现方便的特点。TMSF系统的指令周期为ns运算速度快指令系统丰富灵活指令效率高有k字片内RAMk字闪存(FlashEEPROM)个全比较单元输出六路互补PWM[]。在实现SVPWM的过程中可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Uα、Uβ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TT。图为SVPWM中断的子程序流程图。在进入中断前系统配置、外设、I/O、GP定时器及各变量均已初始化完毕。下面对该流程图具体实现作一说明。()判断矢量Uout所处扇区()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±只有三个数值具体实现时由于是对称PWM故将Tx、Tx±分成对称的两个部分即下述的XYZ:()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:由每个扇区的工作图为每个扇区的比较寄存器赋值如表: 实验结果本文结合电动汽车电机控制系统采用TMSFDSP汇编语言编写了开环、载波频率为kHz、变频范围为~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有很大能力去完成其它任务实现更复杂、完善的电机控制。实验结果证明了该算法的正确性。图、图分别为控制器输出经过低通滤波后的相电压、线电压波形和实际测得的电流波形图。由图中可见电压电流的正弦性很好消除谐波明显SVPWM是一种较为优化的PWM。 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:()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.倍能有效提高电源电压利用率。()只计算~°范围内(即、、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°~°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。()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TMSFx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。

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