研究与开发SVPWM在变频调速系统中的应用及其DSP实现张琦‘田永沫，张晓冬‘(1.北京交通大学电气工程学院，北京1000442.中国北车集团长春轨道客车股份有限公司，长春130062)摘要阐述了电压空间矢量脉宽调制SVPWM的基本原理及其数字实现，并使用simulink对VSPwM的调制过程进行了仿真。介绍了运用Tl公司的TMS320LF2407DSP生成vsPwM的方法及其特点，并得到了与仿真一致的结果。关键词:SVPWM;SIMULINK;TMS320LF2407;数字信号处理器TheAPPlicationofSVPWMinACAdImPlementationBasedonDSPjustmentSPeedSystemanditshzangQi，Tian物ngz人uZzhangxiaodong](1.SchoolofElectricEngineering，Beijingjiao一tongUniversity，Beijingloo044，China2.CNRChangchunRailwayVehiclesco.，Ltd，Changchun，Jilinl3o062)AbstractThetheoryanddigitalimP1ementationofsPacevectorPulsewidthmodulation(SVPWM)isdiscussedindetail，ThesimulatedmethodinSIMULINKandsimulationresultisshownAndthemethodofrealizingSVPWMbyTI，sDSPTMS320LF2407isalsointroduced.TheexPerimentalresultisgiven.Keywords:SVPWM;SIMULINK;TMS320LF2407:DSP1引言在控制系统计算机仿真软件中，MathWOrks公变频调速是交流传动系统的调速方式中最为司的MATLAB软件应用最为广泛，其Simulink工具优越的一种，与其他的调速方法相比，其具有调箱具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程速性能好、效率高等特点。伴随新型电力电子器以及高度可视化等多重特性[]3。本文利用MATLAB件的不断涌现，PWM脉宽调制技术在交流调速系/Simuhnk建立了SVPWM仿真模型并给出了仿真统中得到了广泛的应用。但是，常规的SPwM不实验结果。能充分利用直流侧电压，在调节过程中的高次谐TMS32OLF2407芯片是美国Tl公司开发的功能波分量还会引起电机发热、转矩脉动等后果。20强大的专门用于电机控制的定点DSP芯片，该芯片世纪80年代，磁通轨迹控制的思想被提出，德国除了DSP固有的高速计算特性和硬件乘法器以外，的H.WvanderBroeck教授等提出了电压空间矢量还集成了三相PWM波形发生器(EVA和EVB两个模脉宽调制策略。与常规的SPWM技术相比，块)zl]。有了这些功能，就可以由实时计算来产生任SVPwM的逆变器输出电压高出巧%[5]，而且能意频率的SVPWM波。本文介绍了利用够减小电机转矩脉动以及电流波形畸变。目前，TMS320LF2407实现对变频调速系统进行SVPWMSvPWM因其控制算法简单，易于实现数字化等控制的方法。特点在交流传动领域得到了越来越广泛的应用。ZSVPWM的原理简介在牵引领域中，电力牵引传动逐步实现交流化的情况下，SVPWM更有了用武之地。SVPWM电压空间矢量，它以三相对称正弦波47}电气独京2。。7年第2期研究与开发电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基础，用逆变器的下桥臂开关管截止，反之亦然。逆变器开关状态不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通与输出相、线电压及八个基本电压空间矢量关系如圆，从而达到较高的控制性能，故SVPWM也称磁表1所示。通正弦PwM。SvPwM将逆变器和电动机看作一个整体，以使电动机获得幅值恒定的圆形磁场(即正弦磁通)为目的，用八个基本电压矢量合成期望的电压矢量来确定逆变器功率器件的开关状态，并依据电机磁链和电压的关系，从而实现对电动机恒磁通变压变频的调速控制。在典型的三相电压型逆变器电路中(如图1所示)开关管Ql一Q6可以形成8种组合，通常以Ql、图1三相逆变器典型结构图Q:和QS的开关状态(l表示导通，0表示截止)000一在对称的三相正弦电压输入下，电压空间矢量111来表示。而Q4、Q6、QZ的状态与对应的Q;、可表示为丽=百2Lv，a+a咋。+a，ncv)Q:和QS正好相反，即当上桥臂开关管导通时相应表1逆变器开关状态与输出相、线电压关系表开关状态导通器件认ZnV西nV七naVbVbcV亡a电压矢量0Q4Q6QZ000000丽。(000)lQ，Q6QZ21/d13一V汉乃一叭刀3dV0一Vd下1(100)2Q，Q3QZ认刃3VdZ3一ZVd/30dV一Vd丽2(110)3Q4Q3QZ一认刀32认刀3一V甘/3一VddV0丽3(010)4Q4Q3QS一2认刀3叭刃3V/3一Vd0dV万4(011)5Q4Q6QS一认刀3一V汉乃ZV汉/30一VddV丽5(001)6QIQ6QSVdl3一21/d13Vd/3dV一Vd0丽6(101)7Q，Q3QS000000丽7(111)注:Vd为电压源逆变器的直流供电电压。8种开关状态分别对应复平面上8个基本的电压空间矢量，其中石。及石7为零向量，其他六个为非零向量。六个非零向量构成了图2所示的六边形的轴y3(010)线，并将六边形分为6个扇区。空间电压矢量法是通了过选取同一扇区中相邻的两个非零矢量和适当的零八矢量来合成一个等效的空间旋转电压矢量v，er(通常称为参考电压矢量，其理想轨迹是一个圆)。图2中y4(011)、所示六边形内切圆表示SVPWM欠调制方式下参考电压的极限值。根据上述等效原则，以图2中位于0扇区的电压参考矢量为例有以下关系成立:erv不=va不+咋界=vlta+姚几+(voorv)0t由上式可得:图2电压空间矢量图t。一生vlTct。一生T。ot=不一at(&t+)将va咋分别代入气，气得:cT为PWM周期，根据图2几何关系可求得，‘一万1…}cTsi:晋一)/vJ，V_二一，‘二、寸，3=，V_，51111—一a”‘5，na、=阔ver}Tcsnia/av，ot兀一at(+t)a戈3)lv”一由于上述推导过程适用于任一扇区，故由上2。。7年第2期电气穆甫}75研究与开发式可根据参考电压矢量的幅值和相角求取任一基本矢量的作用时间。在参考电压矢量作用下，异步电机可以获得幅值近似恒定、顶点沿圆形轨迹运动、平均速度可调的定子磁链矢量。通过rVef的频率、幅值和相位，即可实现逆变器输出电压频率、幅值和相位的控制。3SVPWM算法的SIMULINK仿真SVPWM算法实现的主要问题是要确定每个PWM周期中使用的基本电压矢量百x，石x士1，石。(或石:)，以及各个矢量的组合顺序和作用时间。具体可以分以下几个步骤来实现:)1确定矢量M乍厂所在扇区在此，我们定义三个中间变量，Va，Vb，Vc分别为:了十av--、咋--走!1/2(风-!cv-、一112(一截其中，v。、v，分别为M乍了在a、刀坐标轴上的分量。若规定:)1如果Va>0，则A=1，否则A=0;2)如果Vb>0，则B=1，否则B=0;3)如果Vc>0，则C=1，否则C二0。则可由N=A+ZB+4C的值确定矢量仍絮厂所在扇区，其对应关系如表2所示:扇区数表}Z。N值与扇区数对应关系11}:13}4{5N值}3}‘}5}4一“}2图3所示为SIMULINK的扇区判断模型op吧Iato口图3扇区判断模型(2)相邻两矢量作用时间的确定此处，需要做如下定义:76}电气毅嗽2007年第2期了十X一~YAv口、一-leZA(叔+v，)/2一、一A(一诚+v。)/2A=初，/吟则各扇区相邻两矢量作用时间如表3所示:表3TI，TZ取值表扇区数0l2345T1一ZZX一X一YYT2X亨一YZ一Z一X注:Tl表示前一矢量，TZ表示后一矢量。图4所示为SIMULINK的TI、TZ模型图4TI、丁2仿真模型(3)确定比较器的切换点为了计算空间矢量比较器切换点Tcml、cTmZ、Tcm3，作如下定义:aT二(T一lT一ZT)14，bT=Ta+Tl/2，cT=Tb+TZ/2表4矢量比较器切换点扇区数0l2345及”11aTbTcTcTbTaTcTmZbTaTaTbTcTcTcTm了cTcTbTaTaTbT图5所示为SIMULINK的矢量切换点模型取三角载波周期介200林5，幅值取100林5，dV=SO0v，输出电源的周期为ZOms，仿真得到的cTm调制波形如图6所示。SVPWM算法的DSP实现SVPW加1算法通常有两种实现模式:一种是通过软件编程实现的软件模式，由软件决定开关触发顺序，再通过比较单元生成PWM波形，可以表示为4研究与开发V，Ox，V珠，，铸，tlxV，x，VO(如图7V);另一种是由TMS320LF2407上自带的SVpWM硬件模块生成PWM波形，可以表示为:Vx，蛛1，铸，蛛1，x(如图V)。其中，8x的值取决于待求参考电压矢量所处的扇区，选取的原则是相邻两个开关矢量中只有一个开关变化。期中总有一个桥臂的开关状态保持不变，开关次数比软件开关模式的少，减少了开关损耗，但输出电压的谐波含量增大。但是在较高载波比条件下硬开关模式的总体性能占优。SVPWM的生成是由DSP芯片的特定寄存器分别进行控制的，它们包括:ACTR.12一14存放当前的主矢量，根据Vref的扇区位置写入相应的值;ACTR.15代表主矢量的旋转方向(ACTR.巧=l按顺图5矢量切换点模型图6TCm调制波形币1了田月崎Tl/2!TZ12tl4/OTI}T。/2l一一一一一」一一一一—1L叶』』lIl徽I}TZ/2}TllZll叶1叶ll』-叶]内“以叭曰揣(猛lovI厕图7软件开关模式SVpWM波形(0扇区)图8硬件确定开关模式SVpWM波形(0扇区)通过软件实现的开关方案中犷开关器件在一个载波周期内需要开通、关断各一次，器件的平均开关频率较高，开关损耗大，但输出电压的谐波含量较小。当采用图8所示开关案时，在一个PWM周时针方向，ACTR.15=0按逆时针方向);TxCON.11一21为计数模式选择，控制生成对称或不对称的PWM波形;DBTCON完成死区时间设置，用以避免上下桥臂发生直通;COMCONx.9是比较输出使能位，控制PWM输出引脚使能或呈高阻状态，可用于系统故障时的保护;比较寄存器CMPRI一2分别对应需要进行开关动作两组桥臂，其值的大小由主辅矢量和零矢量的作用时间确定，当定时器的记数值等于CMPRI一2的值时，就会改变控制信号的输出。总的来说，SVPWM硬件模块需要如下的步骤:(1)系统及特定寄存器的初始化。2()根据va、甲计算变量va，bv，cv并计算N值。(3)根据N及表2确定Vref所在扇区。(4)按照硬开关方案选取基本矢量及旋转方向。(5)依据表3确定矢量作用时间。(6)将Tl/2的值写入比较寄存器CMPRI(或CMpR4)，将(Tl+TZ)/2的值写入CMPRZ(或。(7)在每个周期的开始，更新ACTRx.12一15及CMPRx的值。实现SVPWM控制的中断服务子程序流程如图所示。本文利用TMS320LF2407DSP芯片实现SVPWM的控制，图10是对一台15kw三相异步电机在恒压频比控制下使用SVPWM方法得到的相电压波形(逆变器开关频率为skHz，输出电压频率为。可以看出实验结果与仿真结果是一致的。结论SVPWM是一种先进的PWM技术，它有控制简单、字化实现便以及较高的直流电压利用率等优点。根SvPWM原理，应用Matlab/Simulink仿2。。7年第。期奄气魏甫}77CMPRS)94OHz)5研究与开发真软件，建立的SVPWM交流调速系统的仿真模型飞弃.S10p得到了与理论分析一致的仿真结果。面向电机控制的高性能DSP使实现SVPWM波形的实时信号调制成为可能，因而SVPWM技术在交流调速领域具有价广阔的应用前景。协‘了厂舀v”W竺史断矍多王呈序)纬护9厂」段公MS刀0即‘根据f确定PWM周期T图10相电压波形根据Vlf原则，确定Vref的幅值参考文献确定Vref所在的扇区[1]BimalK.Bose.ModemPowerElectronicsandACDrives[M].北京:机械1业出版社，2002.确定主矢量，装载ACTR[2]刘和平.TMs320LF24oxoSPC语言开发应用[M]查表得主、辅矢量作用时间北京:北京航空航天大学出版社，2003.3[]王沫然.Simulink4建模及动态仿真.北京:电子工装载比较寄存器业出版社，2002开中断4[]王兴，杨振强.电压空间矢量的原理及其在DSP上的实现.电机技术.2005(3).中断返回[51ChenS，JoosG.Symmetrica1SVPWMPattern图gSVpWM中断服务子程序流程图generatorusingifeldProgrammablegatearrayimPlementation.APEC2002SeventeenthAnnualIEEE.2002，2(5):1004一1010}新闻与动态{ABB总承包哈尔滨道里区域集中供热项目全面竣工电力和自动化技术集团ABB宣布，由ABB总承包国最大的集中供热贷款项目。ABB全球领先的集中供热的丹麦贷款项目一一哈尔滨道里区域集中供热项目技术具有高效节能、低噪声、灵活控制和个性化服务的己于近日全面竣工。作为哈尔滨市迄今为止最大规模的特点，可以有效帮助‘冰城’哈尔滨的客户提高热电联供热基础设施项目，该项目的竣工有效地降低了能源损产利用率和系统运行效率，大幅度节省燃煤和降低二氧耗，提高了供热系统运行效率，从而降低温室气体排放化硫等温室气体排放量。”和减少二氧化碳排放。同时，ABB的自动化控制技术使2004年10月底，ABB经过资格预审、公开招投标，得即便在平均气温一21℃的冬季，100万当地受益居民也最终凭借其价格和技术的双重优势，赢得了道里区域集可以全天候享受到18℃以上的适宜室温。中供热项目4千万美元的总承包合同。根据合同，ABB道里区是哈尔滨市的七个行政区之一。道里区域集提供大约96.Ikm热力管网，378台变频器，252台二次中供热项目通过地下预制直埋保温管道将主热源热水输网循环泵，新建、改建126座换热站，252台热交换器，送到区域内巧6座自控换热站，取代传统意义上的锅炉高效变频器和二次供热网循环泵，超过约10000个信号房，经过换热器换热后热水直接送达用户住宅的散热器，监测点，近2000套仪表和换热站监控设备及1套ABB供热面积达1758万mZ。项目利用ABB的自动化技术，“赛通”热网sCADA监控系统，用于控制和监测整个供根据外部天气情况变化可自动灵活调整水温和流量，达热系统。ABB同时帮助用户将第三方提供的42座改建到宜人家居和节能降耗两个目标。换热站接入到ABBSCADA监控系统中，提供了交钥匙ABB(中国)有限公司高级副总裁穆赫先生在项目工程。竣工仪式上表示:“我们非常高兴能够参与丹麦在中75}电气往康2007年第2期
