SVPWM技術(shù)在電動游覽車中的應(yīng)用

目前,電動汽車的驅(qū)動有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁無刷電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。交流電機(jī)以其體積小,結(jié)構(gòu)簡單,堅固耐用,運行可靠,制造成本低和易于維護(hù)等優(yōu)點,以及交流變頻調(diào)速技術(shù)所具有的優(yōu)異調(diào)速性能、高效率、高功率因數(shù)和節(jié)能等特點,而得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速系統(tǒng)通常采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)和空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM),以控制功率開關(guān)器件的通斷。SPWM著眼于使逆變器的輸出電壓盡量接近正弦波,其缺點是電壓利用率低。從電機(jī)的角度出發(fā),SVPWM技術(shù)著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場。SVPWM根據(jù)逆變器的不同開關(guān)模式產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓。不但能達(dá)到較高的控制性能,而且具有轉(zhuǎn)矩脈動小,噪聲低,電壓利用率高等優(yōu)點,因此在調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)采用TMS320LF2407作為控制芯片而產(chǎn)生SVPWM波,以控制逆變器開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。此外,采用容易實現(xiàn),且性能較優(yōu)的速度閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制法,以控制游覽車的電機(jī)。

??? 2 SVPWM技術(shù)的原理

??? 2.1 基本電壓空間矢量

??? 圖1示出電動游覽車的逆變器主電路。規(guī)定當(dāng)上橋臂的一個開關(guān)管導(dǎo)通時,開關(guān)狀態(tài)為1。此時,相應(yīng)的下橋臂開關(guān)管關(guān)斷;反之亦然,開關(guān)狀態(tài)為0。3個橋臂只有1或0的狀態(tài),因此由3個橋臂的開關(guān)狀態(tài)a,b,c可形成000～111的8種開關(guān)模式。其中,000和111的開關(guān)模式為零狀態(tài),其它6種開關(guān)模式可提供有效的輸出電壓。空間矢量的基本思想就是用這8種開關(guān)模式的組合來近似電機(jī)的定子電壓。

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??? 由上述假定可推導(dǎo)出三相逆變器輸出的線電壓矢量[UAB,UBC,UCA]T與開關(guān)狀態(tài)矢量[a,b,c]T的關(guān)系為：

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??? 式中 Udc--直流輸入電壓

??? 三相逆變器輸出的相電壓矢量[UA,UB,UC]T與開關(guān)狀態(tài)矢量[a,6,c]T的關(guān)系為：?

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??? 將開關(guān)狀態(tài)矢量a,b,c的8種開關(guān)組合代入式(2),可求出UA,UB,UC在8種狀態(tài)下各自對應(yīng)的電壓,然后把在每種開關(guān)模式下的相電壓值代入u=uA+uB+uC就可依次求出8種開關(guān)模式下的相電壓矢量和相位角。圖2示出這8個基本電壓矢量的位置。
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??? 上述相電壓值都指三相A,B,C平面坐標(biāo)系中的值．為了計算方便,在DSP程序計算中需將其轉(zhuǎn)換到O,α,β平面坐標(biāo)系中。如果選擇在兩個坐標(biāo)系中,電機(jī)的總功率將保持不變,作為兩個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換原則,則采用下述轉(zhuǎn)換方式：

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??? 根據(jù)式(3)可將前面算出的各開關(guān)模式下對應(yīng)的相電壓轉(zhuǎn)換至O,α,β坐標(biāo)系中的分量。各基本矢量轉(zhuǎn)換至O,α,β坐標(biāo)系后的對應(yīng)分量如圖2所示。

??? 2.2 磁鏈軌跡的控制

??? 有了含6個有效矢量和2個零矢量的這8個基本電壓空間矢量后,就可根據(jù)這些基本矢量合成盡可能多的電壓矢量,以形成一個近似圓形的磁場。圖3示出一種電壓空間矢量的線性時間組合方法。輸出的參考相電壓矢量Uout的幅值代表相電壓的幅值,其旋轉(zhuǎn)角速度就是輸出正弦電壓的角頻率。Uout可由相鄰的兩個基本電壓矢量Ux和Ux±60的線性時間組合來合成,如：

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??? 在每一個TPWM期間都改變相鄰基本矢量的作用時間,并保證所合成的電壓空間矢量的幅值都相等,因此當(dāng)TPWM取足夠小時,電壓矢量的軌跡是一個近似圓形的正多邊形。

??? 在合成電壓空間矢量時,由于對非零矢量Ux和Ux±60的選擇不同,以及零矢量的分割方法也不同,因而會產(chǎn)生多種電壓空間矢量的PWM波。目前,應(yīng)用較為廣泛的是七段式電壓空間矢量PWM波形,其Ux和Ux±60的選擇順序如圖2所示。

??? 2.3 T1,T2和T0的計算

??? 根據(jù)式(4),電壓空間矢量Uout可由Ux和Ux±60的線性時間組合來得到,則由圖3,且根據(jù)三角正弦定理有：

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??? 由式(5)和式(6)可解得：

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??? 式(7)和式(8)中,TPWM可事先選定;Uout可由U／?曲線確定：θ可由電壓角頻率ω和nTPWM的乘積確定。因此,當(dāng)Ux和Ux±60確定后,就可根據(jù)式(7)和式(8)確定T1和T2。最后再根據(jù)確定的扇區(qū),選出Ux和Yx±60即可。

??? 為了使每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換時,開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)最少,需要在TPWM期間插入零矢量的作用時間,使TPWM=T1+T2+T0。插入零矢量不是集中的加入,而是將零矢量平均分成幾份,多點的插入到磁鏈軌跡中,這不但可使磁鏈的運動速度平滑,而且還可減少電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。

???? 2.4 扇區(qū)號的確定

??? 將圖2劃分成6個區(qū)域,成為扇區(qū)。每個區(qū)域的扇區(qū)號已在圖中標(biāo)出。確定扇區(qū)號是非常重要的,因為只有知道Uout位于哪個扇區(qū),才知道選用哪一對相鄰的基本電壓空間矢量合成Uout。下面介紹一種確定扇區(qū)號的方法,即當(dāng)Uout以O(shè),α,β坐標(biāo)系的分量形式Uoutα,Uoutβ給出時,先計算Uref1=Uβ,,再用N=4sign(Uref3)+2sign(Uref2)+sign(Uref1)計算N值。式中sign(x)為符號函數(shù),當(dāng)x>0時,則sign(x)=1;當(dāng)x<0時,則sign(x)=0。然后,根據(jù)N的值,查表l即可確定扇區(qū)了。

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??? 在每一個PWM周期中,各扇區(qū)中Ux和Ux±60的切換換順序如圖2所示。圖4示出七段式電壓空間矢量PWM波的零矢量和非零矢量在0扇區(qū)的施加順序及作用時間。?

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??? 3 SVPWM的過調(diào)制處理

??? 正常SVPWM調(diào)制波的電壓矢量的端點軌跡位于六邊形的內(nèi)切圓內(nèi),見圖4。如果電壓矢量的端點軌跡位于六邊形的外接圓和外切圓之間時,SVPWM將出現(xiàn)過調(diào)制的暫態(tài),這時若不采取措施,輸出電壓將會出現(xiàn)嚴(yán)重失真而增大電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動,由此應(yīng)避免電壓矢量進(jìn)入該區(qū)。

??? 一般的做法是對端點超出六邊形的部分進(jìn)行壓縮,保持其相位不變,將其端點回至內(nèi)切圓內(nèi)。工程實現(xiàn)時,先判斷電壓矢量的端點軌跡是否超出外切六邊形,再計算T0,T1,T2,具體實現(xiàn)比較麻煩。一種簡單的實現(xiàn)方法是,首先計算出T1,T2,并判斷T1+T2>TPWM是否成立,若不成立,則保持T1,T2的值不變：若成立,則將電壓矢量的端點軌跡拉回至圓的外切六邊形內(nèi),假定此時的兩非零矢量作用時間分別為T1,T2,則可得：T1/T1=T2/T2,因此,T1,T2,T0可按T1=[T1/(T1+T2)]TPWM,T2=TPWM-T1,T0=0求得。

??? 按上述方法即可生成所需的SVPWM波,并可得到所需的電壓矢量Uout。圖5示出過調(diào)制示意圖。

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??? 4 游覽車的控制原理及其實現(xiàn)

??? 4.1 系統(tǒng)的組成和原理

??? 圖6示出基于SVPWM的游覽車控制框圖。該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制方法,可以控制游覽車以設(shè)定的速度行駛。系統(tǒng)的控制電路由DSP控制芯片、邏輯控制單元、司控臺通訊單元、各種信號檢測及速度采樣電路組成：主電路采用IPM模塊;牽引電機(jī)為三相異步電機(jī)。

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??? 系統(tǒng)對實際速度和給定速度實時采樣,計算轉(zhuǎn)差頻率,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)差頻率作為轉(zhuǎn)差給定,與實際的轉(zhuǎn)速相加得到此時的同步頻率?,然后根據(jù)U／?函數(shù)計算出電機(jī)的定子參考相電壓Uout,其幅值代表相電壓的幅值,其旋轉(zhuǎn)角速度就是輸出的正弦電壓角頻率。Uout的角度θ由同步電壓角頻率積分得到,SVPWM模塊根據(jù)Uout和電壓同步頻率?1生成PWM調(diào)制波形。

??? 4.2 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

??? 軟件大體分為主程序和SVPWM中斷服務(wù)程序兩部分。主程序主要完成顯示以及與司機(jī)控制臺的通訊。圖7示出SVPWM中斷服務(wù)程序流程圖。主要完成電流、電壓的A／D轉(zhuǎn)換;實際速度和給定速度的檢測;SVPWM的波形生成。該系統(tǒng)采用了軟件生成SVPWM波形。其步驟是：①根據(jù)實際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)差算出?1,并對?1積分得到θ;②根據(jù)壓頻函數(shù)算出Uout;有了上述值,可根據(jù)前公式計算出Uoutα,Uoutβ,Uref3,Uref2和Uref1;③確定扇區(qū)和計算T1,T2,T0;④判斷是否過調(diào)制,如果過調(diào)制,則重新計算T1,T2,T0;⑤更新比較寄存器的值,中斷服務(wù)程序完畢。

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??? 5 試驗波形及結(jié)論

??? 圖8示出逆變器輸出的相電流is和線電壓uab,波形。電流的有效值為23.27A,頻率為24.78Hz。由圖可見,電流波形為良好的正弦波。

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??? 該系統(tǒng)采用TMS320LF2407 DSP作為控制芯片,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)差頻率控制策略,并用軟件法生成SVPWM波形控制游覽車的逆變器,實現(xiàn)了電動游覽車所要求的恒轉(zhuǎn)矩啟動、恒功率運行的牽引特性。該系統(tǒng)具有控制策略簡單,系統(tǒng)穩(wěn)定性好,動態(tài)響應(yīng)快,牽引力大,加速性能和制動性能好的特點。