基于PI雙閉環(huán)解耦控制的三相SVPWM電壓型逆變器(3)--調(diào)制方法

在之前寫的文章中，介紹了三相逆變器的控制方法和數(shù)學(xué)模型，如果忘記了可以回顧一下。

基于PI雙閉環(huán)解耦控制的三相SVPWM電壓型逆變器(1)--數(shù)學(xué)模型

基于PI雙閉環(huán)解耦控制的三相SVPWM電壓型逆變器(2)--控制器設(shè)計

下面介紹一下調(diào)制方法。

為什么需要調(diào)制方法呢？在之前的控制器的設(shè)計的最后，我們得到的是目標(biāo)的電壓，而我們的控制對象是mos管，它的控制信號是PWM，而不是虛擬的電壓信號。所以我們要將我們之前得到的目標(biāo)電壓轉(zhuǎn)換成PWM控制信號。調(diào)制的過程實際上就是把目標(biāo)電壓轉(zhuǎn)換成PWM信號，使得mos能夠按照一定的規(guī)律開關(guān)，從而輸出我們的目標(biāo)電壓。

常見的調(diào)制方法有兩種，SPWM和SVPWM兩種。SPWM這種調(diào)制方法，相對于SVPWM來說相對簡單一點，控制效果相對來說差一點，但是SVPWM的控制方法相對較復(fù)雜。

SPWM

正弦脈寬調(diào)制SPWM，是采用一個正弦波與三角波相交的方案確定各分段矩形脈沖的寬度。SPWM根本上依據(jù)的是面積等效的原理，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。這里所說的慣性環(huán)節(jié)，指的是后面的濾波環(huán)節(jié)。

實際上是一些形狀不同的窄脈沖曲線與時間軸包圍的面積如果相等的話，其最終效果相等。那么我們就可以用正弦變化的PWM去等效正弦波。下面的問題就是如何讓PWM的高電平時間正弦變化，或者說是占空比正弦變化。

經(jīng)常使用的采樣方法主要是自然采樣和規(guī)則采樣，自然采樣相對于規(guī)則采樣計算量比較大，不利于實現(xiàn)，對于微控制器來說是一個挑戰(zhàn)。所以一般工程上采用規(guī)則采樣，實現(xiàn)起來比較簡單。

在控制方法上又分為，單極性控制和雙極性控制。

單極性控制

單極性原理圖如下所示

由上圖可以得出單極性調(diào)制，當(dāng)Ur大于Uc時，Uo輸出高電平。在正半周期載波只有一種極性，不存在負(fù)的情況，對于負(fù)半周期也一樣。這樣產(chǎn)生的PWM，其輸出只能控制一個開關(guān)管，而另一個開關(guān)管要處于常開狀態(tài)。也就是說，當(dāng)一組開關(guān)管要被打開時，我們只能控制其中一個，另一個在半個調(diào)制波周期內(nèi)都要處于常開狀態(tài)。

雙極性控制

雙極性調(diào)制原理圖如下

與單極性調(diào)制的區(qū)別就是，它的載波在任意半個周期內(nèi)都有兩個極性，也就是有正有負(fù)。當(dāng)Ur>Uc時，為正向高電平，反向低電平，當(dāng)Ur

解釋

以單相的逆變電路為例，具體講述一下，單極性和雙極性的控制。在調(diào)制波的正半周期內(nèi)，既VT1和VT4要被打開，VT2、VT3要被關(guān)閉，才能使負(fù)載承受正向電壓。在調(diào)制波負(fù)半周期內(nèi)，與之相反。如果是單極性調(diào)制，VT1和VT4，這是有一個常開，另一個工作在開關(guān)狀態(tài)，VT2、VT3常閉。調(diào)制波負(fù)半周期與之類似。如果是雙極性調(diào)制，在調(diào)制波正版周期內(nèi)，VT1和VT4都將工作在于開關(guān)狀態(tài)，而VT2、VT3也不會常閉，而是與VT1、VT4互補導(dǎo)通。

在具體實現(xiàn)上，可以采用查表法PWM設(shè)置占空比，也可以實時計算PWM占空比。一般采用實時計算，因為實際上它的計算強度也不太大，而且相對來說也比較靈活。

原理很復(fù)雜，實現(xiàn)起來就比較簡單。只需要然占空比正弦變化即可，以為載波我們在配置單片機定時器的時候就已經(jīng)確定了。我們只需要改變占空比。在正半周期內(nèi)滿足下面這個公式，負(fù)半周期取反即可。

D=Ts*M*sin?(wt)

如果是三相的話，只需要在wt后面加上角度差。

SVPWM

相對于SPWM，SVPWM的復(fù)雜程度提升了不少，但效果也會更好一點。與 SPWM 相比，SVPWM 的電壓利用率高了約15%。

對于SVPWM的解釋，要以三相逆變器為例。

圖中，逆變器輸出的三相電為Ua、Ub、Uc，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6 代表三相橋臂的 6 個開關(guān)元件，設(shè) A、B、C 三 相橋臂上有對應(yīng)開關(guān)變量 a、b、c。使用開關(guān)變量來描述開關(guān)管的導(dǎo)通情況。以A相為例

從而可以得出輸出的相電壓與開關(guān)變量矢量之間的關(guān)系表達式。如下圖所示

通過Clark變換，將Ua、Ub、Uc轉(zhuǎn)變成到αβ坐標(biāo)系，可以得到以下公式

Ua，Ub 可以理解為參考電壓Uref 在（α，β）坐標(biāo)系中所分解得到的子軸分量。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6 的開關(guān)組合決定了的8個基本電壓矢量在空間中的位置如下圖所示。

由圖可以看出，8個基本電壓矢量分成成了6個扇區(qū)，每個電壓矢量之間的夾角是pi/3，而Uref與α軸的夾角可以通過三角函數(shù)公式計算得出。

設(shè)參考電壓矢量Uref與α軸的夾角為θ，在α軸和β軸的分量分別為Ua和 Ub。進行SVPWM調(diào)制首先要判斷由Ua和Ub所決定的空間電壓矢量Uref位于哪一個扇區(qū)。

怎么確定每個電壓的時間是調(diào)制的關(guān)鍵之處，主要分為下面幾步

(1).確定合成的電壓矢量的扇區(qū)

(2).將參考電壓矢量分解到與之相鄰的基本電壓矢量。

(3).通過分解的電壓矢量，確定相鄰的基本電壓矢量的時間

以第一個扇區(qū)為例，有以下公式

將兩組公式聯(lián)立就可以得到時間，如下圖所示

Ed為電壓矢量的幅值，滿足Ed=2Udc/30。使用同樣的方法就能求出，合成電壓矢量Uref在不同扇區(qū)時，對應(yīng)不同電壓矢量的時間。

根據(jù)零矢量分配的不同主要有七段式和五段式兩種SVPWM方法。其中，七段式SVPWM技術(shù)是對兩個零矢量V0和V7進行靈活安排，可以降低諧波含量。

在三相波形圖一列中，每一行由上到下依次為ABC。根據(jù)上面的表格可以確定，ABC三相的開關(guān)管的導(dǎo)通時間。

在使用SVPWM是，還有一個問題是過調(diào)制，就是過調(diào)制的問題。當(dāng)零矢量作用時間為零，基礎(chǔ)電壓矢量合成的空間電壓矢量的端點位于六邊形與其外接圓之間時，即T1+T2>Ts 時，逆變器會發(fā)生過調(diào)制，導(dǎo)致輸出電壓嚴(yán)重失真。為防止過調(diào)制現(xiàn)象的發(fā)生，可采用比例縮小算法。設(shè)使能將 處于過調(diào)制范圍的合成電壓矢量回調(diào)至內(nèi)切圓范圍內(nèi)的非零矢量作用時間分別為 T3 和 T4，則有如下比例關(guān)系

則處于線性調(diào)制范圍電壓矢量作用時間分別為：

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