SVM原理

脉宽调制(PWM)技术是电力电子技术中的非常重要的组成部分，对提高电力电子装置的性能，推动电力电子技术的发展起着巨大作用。在众多PWM调制方式中，空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术和正弦脉宽调制(SPWM)技术最具有代表性。SPWM的基本原理是利用三角载波与正弦调制波进行比较而得到，适合于模拟电路实现。相比SPWM而言，SVPWM是一种使输出电压的合成矢量沿预定轨迹旋转的控制方法，具有更低的高次谐波、容易实现变换器的在线调压、电压利用率高等优点，同时这种控制思想也便于数字化实现。SVM（空间矢量调制）控制源于交流调速中磁通为圆的思想，最初目的是使电机获得圆形的旋转磁链，它基于空间旋转矢量的等效，已经发展成为一种与SPWM（正弦脉宽调制）并行的PWM（脉宽调制）技术。调制是将调制波形离散为含有调制波信息的高频数字脉冲的过程，滤波则是解调和频谱搬移的过程。任意三相调制波形都可以转换为空间旋转的矢量，SVM的思想可以概括为：在矢量空间用有限的静止矢量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢量，使合成的空间矢量含有调制波的信息。在三相逆变器中，由于负载为三相对称负载，所以有0cbaXXX。由于输出三相电压是对称的正弦电压，所以可以将它进行由时间坐标轴到空间坐标轴的变化，所形成的合成矢量是一个圆。而三相三桥臂变换器中总共有8种开关状态，如图1所示。转换到空间坐标上对应为8个开关矢量，其中有六个非零矢量及两个零矢量。6个离散的电压矢量在空间上两两互差060，六个电压空间矢量的顶点构成正六边形的顶点。合成矢量是位于这个六边形中的圆。PWM变换器的8个静止矢量按一定的规律切换，可以在矢量空间合成旋转的电压空间矢量来逼近电压矢量圆，从而形成SVPWM波形。这就是三相SVPWM（空间矢量脉冲宽度调制）变换器的工作原理。ImRe)001(1Ur)011(3Ur)100(4Ur)110(6Ur)101(5Ur)010(2Ur)111(7Ur)000(0Ur123456refUrT1T2图1基本空间矢量和开关组合模式以三相三桥臂为例，对于每一相桥臂，其上下2个功率管是互补开关，以P表示上管导通下管关断，以N表示下管导通上管关断。三桥臂三相逆变器共有8种可能的开关状态，定义合成电压矢量为1202401232()3jjVvveve，则它们对应平面上的6个非零矢量和2个零矢量，如图2所示。电压矢量对时间的积分就是磁通，在每个开关周期选择所需的电压矢量，使磁通为给定的圆，则逆变器就输出三相正弦波。图2二维电压空间矢量图空间矢量PWM技术的目的是通过与基本的空间矢量对应的开关状态的组合得到一个给定参考矢量Uref。定义相邻的矢量为Ux和Ux±60，其中先作用的向量Ux为主矢量，后作用的向量Ux±60为辅矢量，它们作用的时间分别为T1和T2。则由图1可知：(1)126011()nTrefxxnTUtTUTUTT（1）即12601()refxxUnTTUTUT（2）由式(2)可以看出，T1与T2之和一般要小于整个载波周期T，要插入零向量（U0或U7）来补偿，于是可得下式：12600refpxxUTTUTUT（U0或U7）（3）其中Tp为PWM的载波周期，零向量作用的时间为012pTTTT，这样可以得到一种计算T1和T2的方法：11260,TpxxrefTTTUUU（4）160xxUU是矩阵向量的逆矩阵。假设Uref和Ux之间的角度为，从图1可知：12cos(30)prefTTU22sinprefTTU（5）在实际应用中，可以选择上述两式之一来计算T1和T2。式（4）是和扇区有关的，对于每个扇区的矩阵逆向量可以离线算出，当进行在线计算时，可以通过查表法读出相应的值。应用式（5）进行计算时，与所在的扇区无关，Uref以幅值和相角的形式给出。4SVM调制的软件实现TMS320LF2407A芯片是美国TI公司开发的专门用于电机控制的DSP芯片，该芯片集成了三相PWM波形发生器（事件管理器EVA和EVB两个模块）。事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制(PWM)通道。它们能够实现：三相反相器控制；PWM对称和非对称波形；外部引脚输入快速关断PWM通道；可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获单元；片内光电编码接口电路；16通道A/D转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机和逆变器。图3给出了TMS320LF2407DSP控制器芯片控制三相逆变电源的主程序流程图，程序的开头为预处理部分，主要完成如常量的定义、全局变量的定义、加载相应的函数库。主程序的开始部分定义了一些局部变量、中断，并且定义了事件管理器各寄存器初始化、I/O部分，初始化AD及定时器等。加载函数库数据定义定义外部数组PI调节器常数定义空间矢量变量定义函数声明主函数AD部分IO部分EVA部分EVB部分调节器部分函数定义主程序程序初始化打开编译开关禁止看门狗看门狗复位AD转换初始化16路AD连续转换开始AD转换IO转换初始化EVB初始化转入中断程序预处理EVA初始化图3主程序流程SVM调制在中断子程序中实现，其控制流程如图4所示。其主要的功能是根据采样输出值计算空间合成矢量、确定开关矢量、计算各开关矢量相应的占空比，并判断此时是否发生过调制现象进行过调制校正及计算每一个控制状态的持续时间。EVA,EVB初始化使能INT2中断设定通用定时器1和通用定时器3设定通用定时器为连续增减计数模式设置PWM5-PWM12模式,其中5,7,9,11高有效,6,8,10,12低有效使能PWM输出和比较动作使能EVB的T3下溢中断T1和T3的计数器清0清除EVA和EVB相应的中断标志PWM5-PWM12输出使能设置死区启动定时器等待中断响应中断装配ACTRA,ACTRB计算相应的参考量比较寄存器3,4,5,6赋值根据Vref所在的扇区计算相应的比较器的值判断是否同一周期N周期计数器复位清除T3下溢中断标志中断返回Y图4SVPWM程序流程在程序运行过程中，由于某种原因常使系统软件发生错误(程序“跑飞”)或CPU崩溃，这时就需要看门狗(WD)溢出产生复位使系统复位回到复位向量地址(0000H)，将应用系统重新纳入正轨。一旦WD被使能，程序中必须在WD溢出前清除WDCNTR。在程序正常运行时，必须在程序的各分量地址(0000H)，将应用系统重新纳入正轨。