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(lái)，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(wú)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(jiǎn)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(wèn)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(kāi)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(kāi)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(méi)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(jiǎn)便且通用的空間矢量發(fā)生方法是研究者關(guān)注的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[4]提出了一種svpwm優(yōu)化算法，該算法無(wú)需開(kāi)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(guò)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(kāi)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(kāi)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(jí)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(kāi)關(guān)管有3種不同的通斷組合，對(duì)應(yīng)3種不同的輸出電位，即+ed/2，0，－ed/2 ，用符號(hào)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(guò)中性點(diǎn)電位0的過(guò)渡，即每相電位只能向相鄰電位過(guò)渡，不允許輸出電位的跳變。另外對(duì)主開(kāi)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(duì)主開(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)均有p、o、n三種，對(duì)三相對(duì)稱系統(tǒng)來(lái)說(shuō)共可以組合成33（27）種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而每一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)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(guò)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(jiǎn)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(duì)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(duì)αβ坐標(biāo)系中的電壓矢量再來(lái)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(lái)的空間電壓矢量可以用坐標(biāo)來(lái)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(duì)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(guò)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(duì)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(jiǎn)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(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)矢量應(yīng)選擇每次開(kāi)關(guān)矢量變化時(shí)，只有一個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗; （2）為了控制的方便實(shí)現(xiàn)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，開(kāi)關(guān)矢量的選擇是對(duì)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(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)矢量應(yīng)該是對(duì)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(kāi)關(guān)狀態(tài)碼表示。從圖5中可以看到，參考電壓矢量無(wú)論落入a1～a4哪個(gè)小區(qū)域，都由最近的三個(gè)矢量來(lái)合成替代，其中有一對(duì)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(hào)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(duì)數(shù)p=2，開(kāi)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(yǔ) 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(duì)控制算法進(jìn)行了詳細(xì)地分析，通過(guò)仿真結(jié)果證明了方案簡(jiǎn)單可行。 作者簡(jiǎn)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(guó)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