1 引言 自1980年日本學(xué)者a.nabae等人在ieee工業(yè)應(yīng)用年會(huì)上提出三電平中點(diǎn)箝位式結(jié)構(gòu)以來，三電平逆變器便成為大容量、中高壓電機(jī)調(diào)速的主要實(shí)現(xiàn)方式之一，作為其核心技術(shù)的脈寬調(diào)制（pwm）方法中，目前最受重視的是電壓空間矢量脈寬調(diào)制法（svpwm）[1、2]。svpwm優(yōu)越性表現(xiàn)在：在大范圍的調(diào)制比內(nèi)有很好的性能；無需大量角度數(shù)據(jù)；母線電壓利用率高；物理概念清晰；算法簡單且適合數(shù)字化方案；適合于實(shí)時(shí)控制[3]。因此這種控制方法是中外大功率變頻產(chǎn)品中使用最為廣泛的一種，也是三電平逆變器研究的熱點(diǎn)問題。 空間矢量的產(chǎn)生是svpwm的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前芯片制造商已經(jīng)為兩電平逆變器開發(fā)了專用的dsp芯片，可以方便的實(shí)現(xiàn)兩電平逆變器的空間矢量產(chǎn)生功能。多電平逆變器由于開關(guān)器件和電平數(shù)的增加，矢量產(chǎn)生的復(fù)雜程度遠(yuǎn)大于兩電平逆變器，當(dāng)前還沒有支持多電平逆變器矢量產(chǎn)生的專用dsp芯片，所以為多電平逆變器尋找一種簡便且通用的空間矢量發(fā)生方法是研究者關(guān)注的問題。參考文獻(xiàn)[4]提出了一種svpwm優(yōu)化算法，該算法無需開平方和反正切等復(fù)雜運(yùn)算，只需將參考矢量轉(zhuǎn)換到60°坐標(biāo)系，再經(jīng)過簡單的算術(shù)運(yùn)算即可算出各基本矢量的作用時(shí)間。筆者在此基礎(chǔ)上，試圖改進(jìn)一種易于dsp實(shí)現(xiàn)的三電平空間矢量脈寬調(diào)制優(yōu)化控制算法，使得原本復(fù)雜的矢量發(fā)生變得更為簡單些。 2 三電平逆變器的特點(diǎn)和基本原理 所謂三電平逆變器是指逆變器的交流側(cè)的每相輸出電壓相對于直流側(cè)的電壓有三種取值的可能，即正端電壓（+ ed/2）、負(fù)端電壓（－ed/2）和中點(diǎn)零電位（0），二極管箝位式三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。 [align=center] 圖1 二極管箝位型三電平逆變器[/align] 它由2個(gè)輸入電容，12個(gè)開關(guān)管，12個(gè)續(xù)流二極管，6個(gè)鉗位二極管組成。2個(gè)輸入電容c1，c2均分輸入電壓ed，每個(gè)電容上的電壓為ed/2，由于箝位二極管的作用，每個(gè)開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)所承受的電壓為電容電壓即ed/2，因此三電平逆變器可以在不增加器件耐壓等級的情況下成倍的提高輸入電壓。另外根據(jù)三電平逆變器的定義，逆變器的每相橋臂的4個(gè)主開關(guān)管有3種不同的通斷組合，對應(yīng)3種不同的輸出電位，即+ed/2，0，－ed/2 ，用符號相應(yīng)地表示為p，o，n三種。以a相為例，為了保證每個(gè)功率器件在關(guān)斷狀態(tài)承受ed/2電壓，則在a相狀態(tài)變化時(shí)，應(yīng)該通過中性點(diǎn)電位0的過渡，即每相電位只能向相鄰電位過渡，不允許輸出電位的跳變。另外對主開關(guān)器件控制脈沖是有嚴(yán)格要求的，以防止同一橋臂貫穿短路，即：t1與t0、t2與t4的控制脈沖都要求是互反的，同時(shí)每一對主開關(guān)器件要遵循先斷后通的原則。 在三電平控制系統(tǒng)中，每相的開關(guān)狀態(tài)均有p、o、n三種，對三相對稱系統(tǒng)來說共可以組合成33（27）種開關(guān)狀態(tài)，而每一種開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)一個(gè)電壓空間矢量，因此三電平逆變器電壓空間矢量共有27個(gè)不同的矢量組成，如圖2所示。 [align=center] 圖2 三電平逆變器的空間電壓矢量分布圖[/align] 圖2中所有空間矢量可以分類為零矢量、小矢量（內(nèi)六邊形的頂點(diǎn)）、中矢量（外六邊形邊的中點(diǎn)）和大矢量（外六邊形的頂點(diǎn)），6個(gè)大矢量將矢量空間分為a～f六個(gè)扇區(qū)，在每一個(gè)扇區(qū)中又由其包含的各矢量的頂點(diǎn)組成四個(gè)小區(qū)域，共得到24個(gè)小區(qū)域。將27個(gè)空間矢量進(jìn)行從abc坐標(biāo)系到αβ坐標(biāo)系解耦分析： 通過計(jì)算得到這27個(gè)矢量在αβ坐標(biāo)平面中的矢量，將重復(fù)的矢量合并可以發(fā)現(xiàn)在αβ坐標(biāo)系中只有19種不同的矢量，為了簡化計(jì)算將所有橋臂矢量的模除以ed/3。 再計(jì)算可以得出αβ坐標(biāo)系中每個(gè)特定電壓矢量的α、β坐標(biāo)都不是整數(shù)，這對采用數(shù)字控制的實(shí)時(shí)計(jì)算十分不利。 3 三電平逆變器svpwm優(yōu)化算法分析 由于αβ坐標(biāo)系中每個(gè)特定電壓矢量的α、β坐標(biāo)都不是整數(shù)，因此我們對αβ坐標(biāo)系中的電壓矢量再來重新做一次坐標(biāo)變換，讓 g軸與α軸重合，h軸由g軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°后得到gh坐標(biāo)系。 如圖3所示，在第a扇區(qū)中三電平的基本空間矢量就變?yōu)椋?，0）、（1，0）、（2，0）、（0，1）、（0，2）、（1，1），這樣在新的坐標(biāo)系統(tǒng)中原來的空間電壓矢量可以用坐標(biāo)來表示，其中坐標(biāo)均為整數(shù)點(diǎn)，有利于控制器在線計(jì)算。 [align=center] 圖3 新型算法坐標(biāo)變換圖[/align] 3.1 基本空間電壓矢量的預(yù)處理 圖4為新坐標(biāo)系下的v[sub]ref[/sub]＊投影圖，根據(jù)參考電壓v[sub]ref[/sub]＊在g軸和h軸上的投影，分別設(shè)為v[sub]g[/sub]和v[sub]h[/sub]，那么容易得到: （v[sub]ref[/sub]＊為參考矢量的幅值v[sub]ref[/sub]＊和其它坐標(biāo)的關(guān)系可以由余弦定理得到） [align=center] 圖4 新坐標(biāo)系下vref投影圖[/align] 3.2 區(qū)域判斷和最近3個(gè)基本電壓矢量的確定 在知道參考矢量在gh坐標(biāo)系下的坐標(biāo)v[sub]g[/sub]和v[sub]h[/sub]后，很容易根據(jù)附表的條件判斷其三角形區(qū)域和最近3個(gè)基本電壓矢量。 3.3 計(jì)算被選擇的基本矢量各自的作用時(shí)間 設(shè)由上一步選擇好的3個(gè)臨近的基本矢量為（g[sub]1[/sub],h[sub]1[/sub]），（g[sub]2[/sub],h[sub]2[/sub]），（g[sub]3[/sub],h[sub]3[/sub]），它們對應(yīng)的作用時(shí)間分別為t1,t2,t3，將選擇好的基本矢量用于伏秒平衡方程組，通過計(jì)算可以得出如下3個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間： 由于他們相互之間只相差0或者1，所以相對于αβ坐標(biāo)系矢量作用時(shí)間的計(jì)算運(yùn)算量得到很大的簡化。 3.4 輸出電壓矢量的作用順序 在確定了進(jìn)行合成的基本電壓矢量和各個(gè)矢量的作用時(shí)間之后，還必須確定3個(gè)基本電壓矢量的作用順序，在這個(gè)環(huán)節(jié)上遵循以下原則： （1）為了優(yōu)化開關(guān)頻率，開關(guān)矢量應(yīng)選擇每次開關(guān)矢量變化時(shí)，只有一個(gè)開關(guān)函數(shù)變動(dòng)（即只有一相輸出發(fā)生變化），從而減少開關(guān)損耗; （2）為了控制的方便實(shí)現(xiàn)，在一個(gè)開關(guān)周期中，開關(guān)矢量的選擇是對稱的；零矢量或者等效零矢量的作用時(shí)間是等分分配的。 以a扇區(qū)為例，該空間被分為4個(gè)三角形區(qū)間，按照前面的規(guī)定原則，同時(shí)根據(jù)電壓空間矢量調(diào)制理論可知：在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)矢量應(yīng)該是對稱的，這樣輸出諧波最小。圖5是一個(gè)a扇區(qū)矢量分配順序圖，各電壓矢量按節(jié)拍的分配用三相開關(guān)狀態(tài)碼表示。從圖5中可以看到，參考電壓矢量無論落入a1～a4哪個(gè)小區(qū)域，都由最近的三個(gè)矢量來合成替代，其中有一對小矢量如a2中的onn/poo算做同一個(gè)矢量，首尾矢量ooo是作為矢量鏈條的鏈結(jié)。 [align=center] 圖5 a區(qū)電壓矢量順序[/align] 其它五個(gè)扇區(qū)電壓矢量分配順序的生成與a扇區(qū)類似，本文限于篇幅不加贅述。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以先將各個(gè)區(qū)域的電壓矢量分配順序制成表格存于dsp內(nèi)，然后用查表的方法實(shí)現(xiàn)信號的發(fā)送，dsp實(shí)現(xiàn)脈沖輸出功能。 4 實(shí)驗(yàn)仿真 采用tms320f2812dsp以及以dsp為核心的電路板組成，這里dsp主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化和脈沖輸出功能，用matlab/simulink仿真驗(yàn)證上述 svpwm 算法的正確性。 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如下：選用三相異步鼠籠電機(jī)，額定功率pn=4kw，額定線電壓un=400v，額定頻率fn=50hz，額定轉(zhuǎn)速ωr=1430r/min，定子電阻rs=1.405ω，轉(zhuǎn)子電阻rr=1.395ω，定子漏感l(wèi)sl=0.005839h，轉(zhuǎn)子漏感l(wèi)rl=0.005839h，定轉(zhuǎn)子互感l(wèi)m=0.1722h，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j=0.0131kgm2，極對數(shù)p=2，開關(guān)頻率f=10khz，直流母線電壓vdc=600v，直流側(cè)電容c1=c2=1200μf，磁鏈幅值給定|ψs＊|=0.8wb。 為了驗(yàn)證該算法，現(xiàn)將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定如下： t=0s時(shí)給定轉(zhuǎn)速ωr=100r/min＝10.4rad/s，空載啟動(dòng)；在t=0.3s時(shí)，突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl=20n.m相關(guān)波形如圖6～8所示。 [align=center] 圖6 相電壓波形 圖7 線電壓波形 圖8 三相電流波形[/align] 5 結(jié)束語 扇區(qū)為例，詳細(xì)論述了三電平逆變器電壓空間矢量調(diào)制的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法，并對控制算法進(jìn)行了詳細(xì)地分析，通過仿真結(jié)果證明了方案簡單可行。 作者簡介 （1984-） 女 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院在讀碩士，主要研究方向?yàn)槎嚯娖侥孀兤骷夹g(shù)與應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) [1] nabae a,takahashi i,akagi h. a new neutral-point-clamped pwm inverter.ieee transactions on industry applications,1981,17（5）:518-523 [2] 嚴(yán)干貴,穆鋼,黃亞峰等. 疊層式懸浮電容逆變器的pwm控制方法. 電力電子技術(shù),2005,39（5）:47-50 [3] 謝鳴靜. 一種新型的三電平svpwm控制策略. 碩士學(xué)位論文. 西安理工大學(xué),2006 [4] 張剛,劉志剛,刁利軍等. 三電平pwm整理器svpwm優(yōu)化算法研究. 電力電子,2007,26（6）:53-55 [5] 宋文祥,陳國呈,吳慧等. 一種三電平電壓型逆變器空間矢量調(diào)制方法研究. 變頻器世界,2005（12）:45-49 [6] 李春燕. 基于dsp的電源數(shù)字控制研究. 碩士學(xué)位論文. 南京航空航天大學(xué),2004