3相3級逆變器的中心對齊SVPWM實(shí)現

摘要

空間矢量脈寬調制(SVPWM)廣泛用于3相逆變器控制系統。SVPWM MCU實(shí)現的最有效方法是中心對齊PWM，因為MCU中的PWM模塊可輕松產(chǎn)生中心對齊PWM。本文將討論SVPWM實(shí)現方法，并介紹一種輕松實(shí)現中心對齊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，原因是它比正弦脈寬調制(SPWM)擁有更高的DC側電壓利用效率。盡管SVPWM具有許多優(yōu)勢，但是它難以實(shí)現。最難的因素是計算每個(gè)功率開(kāi)關(guān)的占空比，以及確定每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的矢量扇區和脈沖序列。許多文章都介紹了3相2級逆變器的占空比計算方法，并且我們可以使用許多方法來(lái)計算出矢量序列(例如，中心對齊方法，它可以在MCU平臺中輕松地實(shí)現)。

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

本文[1]介紹了一種計算矢量扇區的簡(jiǎn)單方法。計算過(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。這一步與2級逆變器的扇區計算方法非常類(lèi)似。第2步，把基準扇區重新定位至這6個(gè)扇區之一中，然后把這個(gè)主扇區分為6個(gè)子扇區。這種計算方法可用于2級逆變器，用于確定有效矢量和計算其停頓時(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，并且占空比計算方法很難在MCU應用中實(shí)現。本文[2]把相同方法用于計算矢量。重新定位的零矢量作為2級逆變器的零矢量，則得到的矢量序列與2級逆變器一樣。在實(shí)現過(guò)程中，MCU用于產(chǎn)生序列信號，并把外圍邏輯電路用于每個(gè)功率開(kāi)關(guān)的已實(shí)現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)現的方法。

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

2 3相3級逆變器的基本SVPWM原理

圖1顯示了中點(diǎn)箝位(NPC)型3相3級逆變器的硬件拓撲。

圖1 NPC 3相3級逆變器的硬件拓撲

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)補償對中得到控制。Qx1、Qx3(x = R,S,T)為一個(gè)補償對，Qx2、Qx4為另一對。因此，對于每個(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坐標平面矢量圖。27個(gè)矢量可形成18個(gè)扇區，如圖2所示。

圖2 3相3級逆變器SVPWM矢量圖假設基準矢量Vref。根據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。如果規定間隔Ts內Vx、Vy、Vz的停頓時(shí)間分別為T(mén)x、Ty、Tz，則可得到如下函數：

但是，僅僅通過(guò)2級SVPWM中使用的角度還很難確定Vx、Vy、Vz，因為即使角度相同，但基準矢量可位于不同扇區內。為了確定該扇區，需要基準矢量的大小，但它會(huì )增加計算方法的復雜度。

[1]和[2]介紹了一種計算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。每個(gè)主扇區包含10個(gè)原始扇區，其會(huì )形成一個(gè)子六邊形。這6個(gè)主扇區呈60度角差連續分布。圖3顯示了這6個(gè)主扇區。

圖3 3級SVPWM的主扇區

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