SVPWM調制波的建模與仿真

張巴圖，賀文健，李 波

SVPWM調制波的建模與仿真

張巴圖1，賀文健2，李 波2

（1. 神華準能集團有限責任公司科學技術研究院，內蒙古鄂爾多斯 010300；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文分析了SVPWM調制技術原理，并介紹一種基于動態零矢量的調制方法AZSPWM，利用MATLAB對兩種調制方法控制下的三相電壓型逆變器進行了建模。通過軟件仿真，驗證了SVPWM調制方法可以提高輸入電壓利用率，AZSPWM在此基礎上可以降低共模電壓。并在基于TMS320F28335的DSP芯片上進行了實驗驗證。

SVPWM AZSPWM 共模電壓 MATLAB仿真 DSP驗證

0 引言

SVPWM與SPWM是原理不同的兩種矢量脈寬調制技術，SPWM調制是基于正弦波對三角波進行脈寬調制，而SVPWM是使電動機獲得理想圓磁場為控制目標, 基于逆變器不同的開關組合產生8個基本的空間電壓矢量，根據各基本電壓矢量作用時序產生對應的SVPWM波形[1]。與SPWM相比，SVPWM的電壓利用率高了約15%[2]。

共模電壓是影響電機性能的重要因素之一，為減小電機運行時產生的共模電壓大小，本文介紹一種基于動態零矢量的改進SVPWM調制方式AZSPWM，該方法可以將共模電壓降低66.7%，從而提高電機性能。

對SVPWM和AZSPWM兩種矢量調制方法在Matlab/Simulink軟件中進行仿真建模，并基于TMS320F28335的DSP芯片進行算法實現，驗證理論分析結果。

1 三相電壓型逆變器的電壓矢量模型

如圖1所示，建立一種連接三相電機的電壓型逆變器的電路拓撲，電機定子繞組為星型聯結。

在圖1中，逆變器輸出側的三相電壓分別為Ua、Ub、Uc。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6代表三相橋臂的6個開關元件，設A、B、C三相橋臂上有對應開關變量a、b、c。當上橋臂開通時，對應開關變量值為1，當下橋臂開通時，對應開關變量值為0。以A相為例，有：

輸出電壓的相電壓矢量和線電壓矢量與開關變量矢量之間的關系表示為公式（1）和公式（2）:

其中，Udc是電壓源逆變器的直流供電電壓，或稱為總線電壓。不難看出，因為開關變量a、b、c只能取0和1，所以有8種不同組合，即三相橋臂有8種不同的開關狀態，故相電壓Ua、Ub、Uc 和線電壓Uab、Ubc、Uca也有8種對應的組合[3]。

Ua、Ub、Uc轉換至（）坐標系中，有以下矢量關系等式：

2 SVPWM調制波作用時間的計算

Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的開關組合決定的8個基本電壓矢量在空間中的位置如圖2所示。

圖2 電壓矢量與觸發信號（a,b,c）關系圖

3 基于改進SVPWM調制策略的共模電壓抑制

對于圖一所示的兩電平三相電壓逆變器而言，其共模電壓定義為逆變器輸出中性點處與逆變器直流母線電壓中點之間的電壓No[4]，根據逆變器拓撲：

三相相電壓關系如公式3-2所示

因此共模電壓可表示為：

根據前述分析，逆變器基于上下橋臂開關的不同組合可工作在8種狀態下，結合公式（10），不同工作狀態下對應產生的共模電壓大小分別為：0=-dc/2，0=-dc/2，1=-Udc/6，2=dc/6，3=-dc/6，4=-dc/6，5=-dc/6，6=dc/6，7=dc/2

分析文獻[6-10]研究結果可得，抑制共模電壓主要包括兩方面思路：一是改變電路拓撲結構如采用三相四橋臂等，二是優化SVPWM調制算法，從表2中可以看出，三相逆變器的共模電壓在兩個零矢量0（000）、7（111）時最大，為直流母線電壓的一半。為減小共模電壓，在工作過程中應避免零矢量參與電壓矢量的合成。

本文介紹一種采用動態零矢量空間矢量調制方法（AZSPWM）。該方法利用相位相差180度的兩個相反電壓矢量代替傳統SVPWM調制方法中的零矢量，即采用U1U4、U2U5、U3U6的非零矢量組合取代空間電壓矢量合成中的零矢量U0U7。

圖3為AZSPWM空間矢量合成圖。

圖3 AZSPWM空間矢量合成圖

合成電壓矢量作用時序為：U5-U4-U6-U2-U6-U3-U5。

AZSPWM第一扇區電壓矢量作用時序如圖4所示：

圖4 AZSPWM第一扇區矢量作用時序圖

從圖4可以看出，當采用AZSPWM調制策略控制逆變器時，因為未使用零電壓矢量，從而使三相電壓逆變器產生的共模電壓最大值從Udc/2下降至Udc/6，僅為傳統SVPWM調制方法共模電壓最大值的1/3。

2、4、5、6的作用時間分別為：

AZSPWM在各扇區內的的時序圖如下：

4 SVPWM、AZSPWM仿真

傳統SVPWM和AZSPWM合成空間電壓矢量所使用的電壓矢量不同，每個扇區內參與合成的電壓矢量時序圖也不相同。在Matlab/Simulink仿真軟件中分別搭建系統模型得到如下的仿真波形：

圖5 不同控制方法下電機三相電流波形

圖5圖6分別為兩種調制策略下三相電機的相電流波形和共模電壓波形。觀察圖5可知不同逆變器調制策略下電機的三相電流波形正弦度都很好，說明兩種控制策略下電機的運行狀態比較理想。但是從圖6中可以看到傳統SVPWM控制電機共模電壓值最大為250 V，而改進的無零矢量調制方式控制的電機共模電壓最大值僅為83.3 V，相比降低了66.7%。與理論分析一致。

圖6 不同控制方法下電機共模電壓波形

5 SVPWM、AZSPWM的DSP實現

為驗證無零矢量SVPWM調制算法對共模電壓的抑制作用，本文采用TI公司型號為TMS320F28335的DSP芯片進行測試。選擇TMS320F28335的定時器為連續增減模式。

PWM波產生的原理為：計數器依據PWM周期重復計數，當計數值與比較寄存器中的值相同時，產生比較匹配信號進入DSP內部集成的波形發生單元，使PWM波形發生跳變。當兩個值二次匹配時，生成的PWM波發生第二次跳變，如此就實現了占空比與比較寄存器中值成比例的方波脈沖信號[11-12]。

圖7 DSP生成PWM波示意圖

以第一扇區為例求取比較時間，根據公式（11），令X、Y、Z分別為：

將X、Y、Z的值分別賦給CMPR1、CMPR2、CMPR3與計數器進行比較。與傳統SVPWM調制方式計算比較時間不同的是，AZSPWM在各扇區內的時序圖會出現“凹”形，因此在CCS軟件中進行程序編寫時，在不同扇區內，根據時序圖對應的波形形狀，在比較時間處對ePWMxA和ePWMxB置高或置低。兩種調制方式下DSP輸出的PWM波形在示波器上如圖8所示，電機工作時的共模電壓值如圖9所示。分析圖8可知，采用AZSPWM調制算法后，DSP輸出的PWM波中不再含有000和111的狀態，避免了零電壓矢量參與空間電壓的合成。從圖9可以看出，在相同的工作參數下，AZSPWM調制算法下的共模電壓下降為傳統調制策略的1/3。與理論分析和仿真結果一致。驗證了該算法的正確性和有效性。

6 結論

本文分析了SVPWM的技術原理，并對SVPWM和AZSPWM建立仿真模型，仿真結果說明AZSPWM可以將共模電壓降低66.7%。并基于TMS320F28335芯片進行算法實現，通過實驗驗證了AZSPWM的共模電壓抑制作用。

圖8 兩種調制方式的共模電壓圖

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Modeling and smulation of SVPWM modulation wave

Zhang Batu1, He Wenjian2, Li Bo2

(1. Institute of Science and Technology , Shenhua Zhunneng Group Co., Ltd, Erdos 010300, Inner Mongolia, China,2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM46

A

1003-4862（2022）08-0007-05

2020-09-24

張巴圖(1983-)，男，高級工程師。主要從事電氣傳動系統設計科技管理工作。E-mail: skybright@126.com