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     （洛阳理工学院，河南 洛阳 471023姬宣德，陈朝辉，辛伊波
                      
    姬宣德（1980-）男，河南洛阳人，硕士，讲师,从事自动控制理论的研究工作。

    摘要：本文介绍了电压空间矢量脉宽调制技术基本原理，讨论了电压空间矢量脉宽调制技术的两种开关模式，利用MATLAB对其两种开关模式的调制波进行了建模，并进行了仿真，仿真结果证明了两种开关模式调制波的正确性。

    关键词：SVPWM；软件开关模式；硬件开关模式

    Abstract: This article describes the basic principles of the voltage space vector pulse width modulation technology, and Discusses it’s two kinds of switchmodes,its two kinds of switch-mode modulation waves were modeled and simulated, Simulation results showed the two kinds of switch-mode modulation wave was correct.

    Key words: SVPWM; Software Switching Patern; Hardware Switching Patern

    1 引言

    随着电力电子技术的发展，PWM逆变器在电气传动中得到了越来越广泛的应用。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动机的谐波损耗，降低脉冲转矩，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。PWM 技术都是调制波与载波的合成，SVPWM技术有两种开关模式，即软件开关模式和硬件开关模式。软件开关模式的调制波利用计算公式可以很方便地推到出来，利用仿真工具可以直接实现其调制波形；而硬件开关模式由于TMS320LF2407DSP的事件管理器中有专门的硬件（空间矢量状态机）来支持此方法，因此，直接得到硬件开关模式下的调制波很不容易。本文提出一种方法，非常方便地推导出硬件开关模式下的调制波，并利用仿真工具实现调制波的输出。

    2 SVPWM调制的基本原理

    2.1 基本原理

    空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）[1]是从电动机的角度出发，把电机和PWM逆变器看成一体，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁链为目标，它以三相对称正弦电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，即逆变器不同的开关模式产生的磁链来逼近基准磁链圆形，从而达到较高的控制性能。180度导通电压型逆变器有八种开关模式，分别对应着八个空间矢量，其中六个有效电压空间矢量和两个零电压空间矢量。SVPWM的目标就是通过控制这些基本空间矢量的组合，使电压空间矢量按一定的规律圆形旋转。

    2.2 T1与T2的确定

    T1与T2的确定可以利用参考文献[6]得到：

    T1= TpKpsin（x+60.-ωt）

    T2= TpKpsin（ωt-x） （1）

    式（1）中，Tp为载波周期，Kp为调制度。式（1）求出了电压矢量的作用时间，只要知道载波周期Tp就可以求出电压矢量的作用时间T1与T2。

    3 SVPWM开关模式

    实现SVPWM的开关方式有两种，一种是硬件开关模式，一种是软件开关模式。无论哪一种方式在每个载波周期中必须解决Ux、Ux+60、U000、U111的开关次序问题。不同的开关方式将产生不同的调制输出波形。

    3.1 软件开关模式

                           表1  软件开关模式确定的开关顺序表
                           

    表1给出了软件开关模式的开关顺序表，把SVPWM的计算结果（矢量选择和作用时间）转化成每相管脚对应的脉宽作用时间，再分配到相应的比较寄存器。

                               表2 软件开关模式下的占空比分配表
                             

    这种开关模式可以U000、Ux、Ux+60、 U111、U111、Ux+60、Ux、U000用表示，这里x可以为0°、60°、120°、180°、240°、300°，以x=0°为例，可以画出软件开关模式下的开关序列、逆变器三相电压波形如图1所示。TON通过表1可以看出，为了满足开关损耗最小原则，2、4、6区间的主辅矢量作用时间顺序需要改变，即式（1）中的T1与T2需要互换一下。这样才使得软件开关模式绝对以U000开始，又以U000结束，每一次状态改变只需一个桥臂功率器件。为了准确实现作用时间T1与T2的互换，要确定占空比参量Taon、 Tbon、Tcon的值。

    由于SVPWM的波形是对称实现，因此PWMPRD=TP/2，PWMPRD周期寄存器的周期值；这样可以定义占空比参量Taon、Tbon、Tcon：

    T1= TpKpsin（x+60.-ωt）

    T2= TpKpsin（ωt-x）

    Taon=（1- T1- T2）×PWMPRD/2

    Tbon= Taon+ T1×PWMPRD

    Tcon= Tbon+ T2×PWMPRD

      最后，可以确定实际控制所需要的三相PWM波的占空比Taon、 Tbon、Tcon，如表2所示。

                        
                                    图1 软件开关模式下开关序列

                                 
                                 图2 硬件开关模式下开关序列                  
   
    3.2 硬件开关模式

    表3给出了硬件开关模式的开关顺序表，在TMS320LF2407DSP的事件管理器中有专门的硬件（空间矢量状态机）来支持此方法，只需把主矢量填入比较方式控制寄存器（ACTRA/B）中的基本空间矢量位、把主辅矢量的作用时间T1与T2填入比较单元的比较寄存器（CMPR1、CMPR2/ CMPR4、CMPR5），就可以实现SVPWM。

                 

    这种开关模式可以用Ux、Ux+60、U111/U000、U111/U000、Ux+60、Ux表示，这里可以为0°、60°、120°、180°、240°、300°，以x=0°为例，可以画出软件开关模式下的开关序列和逆变器三相电压波形，如图2所示。

                     

    通过表3可以看出，主辅矢量作用时间的顺序不用改变就可以满足开关损耗最小原则。实际控制所需要的三相PWM波的占空比Taon、 Tbon、Tcon如表4。推导过程如下：

    T1= TpKpsin(x+60°- ωt)

    T2= TpKpsin(ωt-x)

    T0=0×PWMPRD/2

    T01=（0+ T1）×PWMPRD

    T012=（0+T1+ T2）×PWMPRD

    T1=1×PWMPRD/2

    T11=（1- T1）×PWMPRD

    T112=（1-T1- T2）×PWMPRD

    4 仿真结果分析与结论

   

                             
                          图3软件开关模式的调制波波形（25Hz）
                             
                         图4软件开关模式的调制波波形（50Hz）
                           
                         图5硬软件开关模式的调制波波形（25 H）
                           |
                      图6硬件开关模式的调制波波形（50 Hz）
                       
                图7 硬件开关模式下调制度分别为0.3，0.5，0.7，1.0时的调制波波形

    仿真结果图如图3至图7所示，从图3至图4中可以看出软件开关模式下的相电压调制波波形类似马鞍波，与SPWM中加上三次谐波的波形很相似；从图5至图6中可以看出硬件开关模式下的相电压调制波波形有1/3周期时间，或处于最高或处于最低。因此大大降低了开关频率。从图7中可以看出，硬件开关模式下的相电压调制波波形随着调制度的减少，相电压调制波波形幅值在减小，但是在一个周期内有1/3周期或等于1或等于0。综合比较可以看出，硬件开关模式要优越于软件开关模式。

    其它作者：陈朝辉（1979-），男，河北保定人，助教，在读硕士研究生，主要研究方向为自动控制理论。辛伊波（1956-），男，山东莱阳人，教授，从事自动控制理论，电力电子技术等教学与科研工作，有多项科研成果及40多篇论文发表。

    参考文献：

    [1] 姬宣德. 空间矢量脉宽调制技术的dsp实现[J]. 矿山机械，2004（12）.

    [2] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京: 机械工业出版社，2004.

    [3] 韩安太. DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M]. 北京: 清华大学出版社，2003.

    [4] 刘和平. TMS320LF240XDSPC语言开发与应用[M]. 北京: 航空航天大学出版社，2003.

    [5] 王晓明. 电动机的DSP控制[M]. 北京: 航空航天大学出版社，2004.

    [6] 姬宣德. 由软件方法决定开关模式的SVPWM技术[J]. 微特电机，2008.

    摘自《自动化博览》2010年第三期