SVPWM技術(shù)在電動(dòng)游覽車中的應(yīng)用

1 引 言

目前，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁無(wú)刷電機(jī)和磁阻電機(jī)。交流電機(jī)以其體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，運(yùn)行可靠，制造成本低和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，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)，以控制功率器件的通斷。SPWM著眼于使的輸出電壓盡量接近正弦波，其缺點(diǎn)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(chǎng)。SVPWM根據(jù)的不同模式產(chǎn)生的實(shí)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(dòng)小，噪聲低，電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)采用作為控制芯片而產(chǎn)生SVPWM波，以控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。此外，采用容易實(shí)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(dòng)游覽車的逆變器主電路。規(guī)定當(dāng)上橋臂的一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)為1。此時(shí)，相應(yīng)的下橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷；反之亦然，開(kāi)關(guān)狀態(tài)為0。3個(gè)橋臂只有1或0的狀態(tài)，因此由3個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)a，b，c可形成000～111的8種開(kāi)關(guān)模式。其中，000和111的開(kāi)關(guān)模式為零狀態(tài)，其它6種開(kāi)關(guān)模式可提供有效的輸出電壓?？臻g矢量的基本思想就是用這8種開(kāi)關(guān)模式的組合來(lái)近似電機(jī)的定子電壓。

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(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量[a，b，c]T的關(guān)系為：

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(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量[a，6，c]T的關(guān)系為：

將開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量a，b，c的8種開(kāi)關(guān)組合代入式(2)，可求出UA，UB，UC在8種狀態(tài)下各自對(duì)應(yīng)的電壓，然后把在每種開(kāi)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(kāi)關(guān)模式下的相電壓矢量和相位角。圖2示出這8個(gè)基本電壓矢量的位置。

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(jì)算方便，在DSP程序計(jì)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(gè)坐標(biāo)系中，電機(jī)的總功率將保持不變，作為兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換原則，則采用下述轉(zhuǎn)換方式：

根據(jù)式(3)可將前面算出的各開(kāi)關(guān)模式下對(duì)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(duì)應(yīng)分量如圖2所示。

2.2 磁鏈軌跡的控制

有了含6個(gè)有效矢量和2個(gè)零矢量的這8個(gè)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(gè)近似圓形的磁場(chǎng)。圖3示出一種電壓空間矢量的線性時(shí)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(gè)基本電壓矢量Ux和Ux±60的線性時(shí)間組合來(lái)合成，如：

在每一個(gè)TPWM期間都改變相鄰基本矢量的作用時(shí)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(shí)，電壓矢量的軌跡是一個(gè)近似圓形的正多邊形。

在合成電壓空間矢量時(shí)，由于對(duì)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(huì)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(jì)算

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

由式(5)和式(6)可解得：

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(shí)，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)次數(shù)最少，需要在TPWM期間插入零矢量的作用時(shí)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(diǎn)的插入到磁鏈軌跡中，這不但可使磁鏈的運(yùn)動(dòng)速度平滑，而且還可減少電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

2.4 扇區(qū)號(hào)的確定

將圖2劃分成6個(gè)區(qū)域，成為扇區(qū)。每個(gè)區(qū)域的扇區(qū)號(hào)已在圖中標(biāo)出。確定扇區(qū)號(hào)是非常重要的，因?yàn)橹挥兄繳out位于哪個(gè)扇區(qū)，才知道選用哪一對(duì)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(hào)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(shí)，先計(jì)算Uref1=Uβ，,再用N=4sign(Uref3)+2sign(Uref2)+sign(Uref1)計(jì)算N值。式中sign(x)為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)x>0時(shí)，則sign(x)=1；當(dāng)x<0時(shí)，則sign(x)=0。然后，根據(jù)N的值，查表l即可確定扇區(qū)了。

在每一個(gè)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(shí)間。

3 SVPWM的過(guò)調(diào)制處理

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

一般的做法是對(duì)端點(diǎn)超出六邊形的部分進(jìn)行壓縮，保持其相位不變，將其端點(diǎn)回至內(nèi)切圓內(nèi)。工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，先判斷電壓矢量的端點(diǎn)軌跡是否超出外切六邊形，再計(jì)算T0，T1，T2，具體實(shí)現(xiàn)比較麻煩。一種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是，首先計(jì)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(diǎn)軌跡拉回至圓的外切六邊形內(nèi)，假定此時(shí)的兩非零矢量作用時(shí)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(guò)調(diào)制示意圖。

4 游覽車的控制原理及其實(shí)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)的由DSP控制芯片、邏輯控制單元、司控臺(tái)通訊單元、各種信號(hào)檢測(cè)及速度采樣電路組成：主電路采用；牽引電機(jī)為三相異步電機(jī)。

系統(tǒng)對(duì)實(shí)際速度和給定速度實(shí)時(shí)采樣，計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)差頻率作為轉(zhuǎn)差給定，與實(shí)際的轉(zhuǎn)速相加得到此時(shí)的同步頻率?，然后根據(jù)U／?函數(shù)計(jì)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(shí)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(tái)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(shí)際速度和給定速度的檢測(cè)；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(shí)際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)差算出?1，并對(duì)?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(jì)算出Uoutα，Uoutβ，Uref3，Uref2和Uref1；③確定扇區(qū)和計(jì)算T1，T2，T0；④判斷是否過(guò)調(diào)制，如果過(guò)調(diào)制，則重新計(jì)算T1，T2，T0；⑤更新比較寄存器的值，中斷服務(wù)程序完畢。

5 試驗(yàn)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(jiàn)，電流波形為良好的正弦波。

該系統(tǒng)采用 DSP作為控制芯片，實(shí)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(shí)現(xiàn)了電動(dòng)游覽車所要求的恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)、恒功率運(yùn)行的牽引特性。該系統(tǒng)具有控制策略簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，牽引力大，加速性能和制動(dòng)性能好的特點(diǎn)。