【正文】 生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。 隨著電壓型逆變器在高性能電力電子器件的廣泛應(yīng)用 ,脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)作為這些系統(tǒng)的核心技術(shù) ,引起了高度重視。到目前為止 ,從電源角度出發(fā)的 SPWM 技術(shù) ,在各種應(yīng)用場合占主導(dǎo)地位。從電機角度出發(fā)的空間矢量調(diào)制 (SVPWM) 技術(shù)由于控制簡單 、數(shù)字化實現(xiàn)方便等特點 ,目前已有替代傳統(tǒng) SPWM的趨勢。 空間電壓矢量 PWM 與傳統(tǒng)的正弦 PWM 不同，它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，目標(biāo)在于使電機獲得理想圓形磁鏈軌跡。 SVPWM 技術(shù)與 SPWM 相比較，繞組電流波形的諧波成分小，使得電機轉(zhuǎn)矩脈動降低，旋轉(zhuǎn)磁場更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高， 在線性調(diào)制區(qū)域 ,它的電壓利用率 SPWM 高達 %。 在非線性調(diào)制區(qū)域 ,通過采取過調(diào)制策略 ,能夠保證其線性調(diào)制并能進一步提高其電壓利用率 [2]。 選題背景 交流調(diào)速技術(shù)最常用的方法是變頻調(diào)速，通 常是通過改變電源頻率來實現(xiàn)交流電動機的速度控制。早期的變頻系統(tǒng)都是采用開環(huán)恒壓頻比 (U/F恒定 )的控制方式，其優(yōu)點是控制結(jié)構(gòu)簡單，成本較低；但是，其控制系統(tǒng)性能不高，利用率低，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢。因此這種控制方式僅適應(yīng)控制性能要求不高的場合。上世紀 70年代，德國的 ，開創(chuàng)了交流電動機等效直流電動機控制的先河，使交流電動機調(diào)速后的機械特性以及動態(tài)性能都達到了與直流電動機調(diào)壓調(diào)速性能不相上下的程度 [3]。 1985年，德困魯爾大學(xué)的 Depenbroch教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論 (DTC)，它是采用空間矢量的分析方法，把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量水控制，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。 矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制雖然都能達到極高的控制性能，但是矢量控制需要的參數(shù)較多，算法代碼龐大，直接轉(zhuǎn)矩控制低速性能不佳，設(shè)備要求精良等原因，使得它們在工業(yè)中特別是像中國這樣的發(fā)展中國家工業(yè)中還沒有得到很好的應(yīng)用。隨著帶有實時信號處理器的電機控制器件如 DSP和和集成度很高的智能功率模塊 IPM南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 的出現(xiàn)，以及 SVPWM控制技術(shù)的不斷完善和創(chuàng)新，矢量控制將在不久的將來占據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的主導(dǎo)地位。 課題研究意義 國內(nèi)交流伺服系 統(tǒng)在數(shù)控機床、機器人等行業(yè)已經(jīng)開始了大量應(yīng)用。市場上具有自主知識產(chǎn)權(quán)的民族品牌也如雨后春筍般發(fā)展起來。但是這些新興的伺服驅(qū)動器生產(chǎn)商都面臨同一個問題：交流伺服電機的高成本如何面對步進電機價格優(yōu)勢的沖擊。同時，在實際應(yīng)用中，如果想使用交流伺服系統(tǒng)來代替步進驅(qū)動，那么步進驅(qū)動中一些有用的成分是否仍然可以保存下來，例如低壓開關(guān)電源。 從這個出發(fā)點考慮，本課題先預(yù)期設(shè)計低壓交流伺服系統(tǒng)，以兼容步進驅(qū)動電源。 但是， 項目一開始就遇到一個尖銳的問題： 由于不具備伺服電機的自主產(chǎn)權(quán)，需要購置伺服電機，而國內(nèi)市場根本采購不到小功 率的低壓伺服電機。所以，從成本和課題難度考慮，本文后期研究采用了 BLDC 電機代替低壓交流伺服電機，而小功率低壓 BLDC 電機是很成熟的產(chǎn)品。傳統(tǒng) BLDC 電機采用 6 扇區(qū)磁鏈控制，低速性能有待提高，所以本課題中仍然采用 SVPWM 來實現(xiàn) BLDC 控制。 研究內(nèi)容 針對上述背景與條件，本課題 是 以 開 環(huán)的恒壓頻比控制系統(tǒng)為例，講述如何用功能強大的信號處理器 DSP、智能化的 IPM模塊和 新 興的 SVPWM技術(shù)去實現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)。并從實際應(yīng)用角度考慮，在安全性、實用性、降低成本方而進行了相關(guān)的研究。 本課題所要研究的主要內(nèi) 容包括： (1)基于 DSP和 IPM的交流調(diào)速控制平臺的設(shè)計。系統(tǒng)以 TMS320F2806為中央處理器設(shè)計控制電路，主要包括 DSP基本外圍電路設(shè)計，智能功 率模塊 PM50RSAl20組成的交 直 交電壓源型逆變器設(shè)計驅(qū)動電路。并對實際應(yīng)用 時的安全可靠性電路進行了設(shè)計與實現(xiàn)。 (2)SVPWM控制技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)。詳細介紹了 SVPWM波產(chǎn)生的控制原理，控制算法，控制算法以及軟件流程的實現(xiàn)。 本文的 結(jié)構(gòu) 本文以 SVPWM 在 BLDC 電機中的應(yīng)用的研發(fā)工程項目作為應(yīng)用背景，對SVPWM 技術(shù)進行了研究。全文共分為七 章，各章的主要內(nèi)容如下： 第一章：扼要地介紹了 SVPWM 技術(shù)、交流調(diào)速和伺服系統(tǒng)的概念、特點與相關(guān)研究背景以及研究內(nèi)容； 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第二章：具體研究了 SVPWM 的生成原理； 第三章：對 SVPWM 算法的實現(xiàn)進行了研究，給出了生成 SVPWM 波的具體方案； 第四章：研究了支持實現(xiàn) SVPWM 波的硬件電路，包括對 DSP 基本外圍電路的設(shè)計和功率驅(qū)動電路的設(shè)計； 第五章：對 SVPWM 的軟件設(shè)計給出了具體的說明，并且給出了相應(yīng)的流程圖； 第六章：總結(jié)了全文的研究工作，并且給出了存在的問題和進一步研究的方向。南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第二章 SVPWM 生 成原理 24V 直流無刷電機調(diào)速控制原理 三相永磁無刷直流電動機和一般的永磁有刷直流電動機相比，在結(jié)構(gòu)上有很多相近或相似之處，用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動機的定子磁極，用具有三相繞組的定子取代電樞，用逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器組成的電子換向器取代有刷直流電動機的機械換向器和電刷，就得到了三相永磁無刷直流電動機。 直流無刷電機調(diào)速的原理就在驅(qū)動電動機的基礎(chǔ)上將驅(qū)動電流由 PWM 信號來控制，改變 PWM 信號的脈沖寬度，即通過調(diào)節(jié) MOSFET 通斷時間來調(diào)節(jié)提供給電機三項電流大小，從而對電機進行調(diào)速控制。 幾種 PWM 輸出方法的比較 PWM（ Pulse Width Moddulation） ,脈寬調(diào)制， 晶閘管工作在開關(guān)狀態(tài)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機上 ； 晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機斷開 。這樣通過改變晶閘管的導(dǎo)通時間（即調(diào)占空比 ton） 就可以調(diào)節(jié)電機電壓，從而進行調(diào)速。 對比于 SVPWM 的產(chǎn)生原理可知， SVPWM 本身的產(chǎn)生原理與 PWM 沒有任何關(guān)系，只是形似 。 SPWM，正弦波脈寬調(diào)制， 將正弦半波 N 等分，把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來替代。三角波載波信號 Ut 與一組三相對稱的正弦參考電壓信號 Ura、 Urb、 Urc 比較后，產(chǎn)生的 SPWM 脈沖序列波Uda、 Udb、 Udc 作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。逆變器輸出電壓的基波正是調(diào)制時所要求的正弦波，調(diào)節(jié)正弦波參考信號的幅值和頻率就可以調(diào)節(jié) SPWM逆變器輸出電壓的幅值和頻率。 SVPWM 與 SPWM 的原理和來源有很大不同。 SPWM 由三角波與正弦波調(diào)制而成， SVPWM 卻可以看作由三角波與有一定三次諧波含量的正弦基波調(diào)制而成。而 SVPWM 的電壓母線利用率要比 SPWM 高 %，因此采用 SVPWM 對直流無刷電機進 行控制。 SVPWM 產(chǎn)生原理 空間矢量脈寬調(diào)制 SVPWM 的英文全稱為 Space Vector Pulse Width Modulation，實際上對應(yīng)于永磁同步感應(yīng)電機中的三相電壓源逆變電器的功率器件的一種特殊的南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 開關(guān)出發(fā)順序和脈寬大小的組合，這種開關(guān)出發(fā)順序和組合將在定子線圈中產(chǎn)生三相互差 120176。電角度的波形失真較小的正弦波電流。 本設(shè)計著重于 SVPWM 在直流無刷電機中的應(yīng)用。 圖 三相電源逆變器結(jié)構(gòu) 圖 是電壓源型 PWM 逆變器示意圖，它的三個橋臂的六個功率開關(guān)器件一共有八種開關(guān)模式 。用 Sa、 Sb、 Sc 分別表示三個橋臂的狀態(tài)，規(guī)定當(dāng)上橋臂器件導(dǎo)通時橋臂狀態(tài)為 1，下橋臂器件的橋臂狀態(tài)為 0。那么，逆變器的八種開關(guān)模式對應(yīng)八個電壓空間矢量 [9]。對應(yīng)于不同狀態(tài)時輸出給電機的相、線電壓對應(yīng)值（相對應(yīng)于直流電壓 UDC）如表 所示。 表 功率晶體管的開關(guān)狀態(tài)和與之對應(yīng)的輸出線電壓和相電壓的關(guān)系表 a b c Va(VDC) Vb(VDC) Vc(VDC) Vab(VDC) Vbc(VDC) Vca(VDC) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 2/3 1/3 1/3 1 0 1 1 1 0 1/3 1/3 2/3 0 1 1 0 1 0 1/3 2/3 1/3 1 1 0 0 1 1 2/3 1/3 1/3 1 0 1 0 0 1 1/3 1/3 2/3 0 1 1 1 0 1 1/3 2/3 1/3 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 表中 Va、 Vb、 Vc 表示 3 個輸出的相電壓， Vab、 Vbc、 Vca 表示 3 個輸出的線電壓。 在實際的應(yīng)用當(dāng)中需要將定子三相坐標(biāo)系 （ A、 B、 C） 轉(zhuǎn)換為定子兩相坐標(biāo)系（ α、 β） 。在（ α、 β）坐標(biāo) 系中與輸出的三相相電壓相對應(yīng)的分量可以由下面的等式表示： 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 Vsα=Va （ 21） Vsβ=（ 2Vb+Va） / 3 （ 22） 用矩陣表示為： ?????? ??VsVs =32???????????????2323021211??????????VcVbVa （ 22） 在 8 個空間矢量中 000,111 這兩種開關(guān)狀態(tài)在電機驅(qū)動中都不會產(chǎn)生有效電流，因此稱其為 0 矢量另外 6 中開關(guān)狀態(tài)分別是六個有效矢量。這六個有效矢量將 360176。的電壓空間分為 60 度的一個扇區(qū)，一共六個扇區(qū) [10]。利用這六個有效矢量和兩個零矢量，可以合成 360176。內(nèi)的任何矢量 。 圖 為逆變器的八個電壓矢量的空間分布 U ( 1 0 0 )U ( 1 1 0 )U ( 1 0 1 )U ( 0 0 1 )U ( 0 1 1 )U ( 0 1 0 )U ( 0 0 0 )U ( 1 1 1 )123456 圖 空間電壓矢量 功率晶體 管的開關(guān)狀態(tài)的組合一共只有 8 種，從而形成 8 種基本電壓空間矢量構(gòu)成了如圖 所示的六邊形并將六變邊形分成了六個扇區(qū)，這樣就形成了六邊形磁鏈。但是 在實際的電機應(yīng)用中六邊形磁鏈輸出電壓諧波含量比較高，容易導(dǎo)致電機在低速時的轉(zhuǎn)矩脈動很大。因此，為了降低輸出電壓諧波含量，一般都采用使電動機磁鏈軌跡形狀更接近于圓形的多邊形磁鏈軌跡。 SVPWM 的基本原理就是用若干個開關(guān)電壓矢量去近似等效給定的參考電壓矢量，用六個基本的電壓矢量去合成更多的有效矢量從而形成 N 邊形磁鏈等效接近于圓形磁鏈 [12]。一個周期內(nèi)合成的有效矢量越 多，說明采樣頻率越高，實際生成的波形也就越接近于正弦波。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 第三章 SVPWM 算法的實現(xiàn) 要實現(xiàn) SVPWM 波就必須做以下幾件事：判斷 Uout 的所在扇區(qū)；計算相鄰兩開關(guān)電壓矢量的時間；確定開關(guān)順序 [13]。 扇區(qū)的判斷 給定一個 Uout，如果要計算它的導(dǎo)通時間和它的開關(guān)順序，就先得計算出 Uout所在的扇區(qū)。其中 Uout 可以分解到定子兩相坐標(biāo)系 （ α、 β） 中用 Ualfa 和 Ubeta 來表示，那么可以設(shè)三個參考量 Vref Vref2 和 Vref3 用 Ualfa 和 Ubeta來表示，其關(guān)系式如下： ??????????????????????23UU3V r e f23UU2V r e fUV r e f 1a lf ab e t aa lf ab e t ab e t a （ 31） 再定義 3個變量， a、 b、 c。如果 Vref10,則 a=1，否則 a=0；如果 Vref20,則 b=1，否則 b=0；如果 Vref30,則 c=1，否則 c=0。設(shè) N=4*c+2*b+a，則 N 與扇區(qū)數(shù) sector的對應(yīng)關(guān)系如表 所示。 表 N與扇區(qū)數(shù) sector的對應(yīng)關(guān)系表 N 1 2 3 4 5 6 sector 1 5 0 3 2 4 第 0 扇區(qū)為基本空間矢量 U0、 U60 包圍的扇 區(qū)，第 1 扇區(qū)為基本空間矢量 U60、 U120包圍的扇區(qū)，，第 5 扇區(qū)為基本空間矢量 U300、 U360 包圍的扇區(qū)。 相鄰兩矢量的開關(guān)作用時間 在（ α、 β）坐標(biāo)系中 Vsα、 Vsβ是基本空間矢量分解得到的子軸分量，每個基本空間矢量與合適的功率晶體管開關(guān)信號組合（ c， b， a）是一一相對應(yīng)的。例如（ c，b， a） =001 時，表示此時的空間矢量為 U0。 空間矢量 PWM 技術(shù)的目的是通過基本空間矢量對應(yīng)的