北京交通大学  赖东林,刘志刚,李哲峰,雷 军

    1 引 言

    目前,电动汽车的驱动有直流电机、交流感应电机、永磁无刷电机和开关磁阻电机。交流电机以其体积小,结构简单,坚固耐用,运行可靠,制造成本低和易于维护等优点,以及交流变频调速技术所具有的优异调速性能、高效率、高功率因数和节能等特点,而得到了广泛的应用。变频调速系统通常采用正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM),以控制功率开关器件的通断。SPWM着眼于使逆变器的输出电压尽量接近正弦波,其缺点是电压利用率低。从电机的角度出发,SVPWM技术着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场。SVPWM根据逆变器的不同开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆。不但能达到较高的控制性能,而且具有转矩脉动小,噪声低,电压利用率高等优点,因此在调速系统中得到了广泛的应用。该系统采用TMS320LF2407作为控制芯片而产生SVPWM波,以控制逆变器开关管的导通和关断。此外,采用容易实现,且性能较优的速度闭环转差频率控制法,以控制游览车的电机。

    2 SVPWM技术的原理

    2.1 基本电压空间矢量

    图1示出电动游览车的逆变器主电路。规定当上桥臂的一个开关管导通时,开关状态为1。此时,相应的下桥臂开关管关断;反之亦然,开关状态为0。3个桥臂只有1或0的状态,因此由3个桥臂的开关状态a,b,c可形成000～111的8种开关模式。其中,000和111的开关模式为零状态,其它6种开关模式可提供有效的输出电压。空间矢量的基本思想就是用这8种开关模式的组合来近似电机的定子电压。

    由上述假定可推导出三相逆变器输出的线电压矢量[UAB,UBC,UCA]T与开关状态矢量[a,b,c]T的关系为：

    式中 Udc--直流输入电压

    三相逆变器输出的相电压矢量[UA,UB,UC]T与开关状态矢量[a,6,c]T的关系为： 

    
 
    将开关状态矢量a,b,c的8种开关组合代入式(2),可求出UA,UB,UC在8种状态下各自对应的电压,然后把在每种开关模式下的相电压值代入u=uA+uB+uC就可依次求出8种开关模式下的相电压矢量和相位角。图2示出这8个基本电压矢量的位置。
 
    上述相电压值都指三相A,B,C平面坐标系中的值．为了计算方便,在DSP程序计算中需将其转换到O,α,β平面坐标系中。如果选择在两个坐标系中,电机的总功率将保持不变,作为两个坐标系的转换原则,则采用下述转换方式：

    
 
    根据式(3)可将前面算出的各开关模式下对应的相电压转换至O,α,β坐标系中的分量。各基本矢量转换至O,α,β坐标系后的对应分量如图2所示。

    2.2 磁链轨迹的控制

    有了含6个有效矢量和2个零矢量的这8个基本电压空间矢量后,就可根据这些基本矢量合成尽可能多的电压矢量,以形成一个近似圆形的磁场。图3示出一种电压空间矢量的线性时间组合方法。输出的参考相电压矢量Uout的幅值代表相电压的幅值,其旋转角速度就是输出正弦电压的角频率。Uout可由相邻的两个基本电压矢量Ux和Ux±60的线性时间组合来合成,如：

    在每一个TPWM期间都改变相邻基本矢量的作用时间,并保证所合成的电压空间矢量的幅值都相等,因此当TPWM取足够小时,电压矢量的轨迹是一个近似圆形的正多边形。

    在合成电压空间矢量时,由于对非零矢量Ux和Ux±60的选择不同,以及零矢量的分割方法也不同,因而会产生多种电压空间矢量的PWM波。目前,应用较为广泛的是七段式电压空间矢量PWM波形,其Ux和Ux±60的选择顺序如图2所示。

    2.3 T1,T2和T0的计算

    根据式(4),电压空间矢量Uout可由Ux和Ux±60的线性时间组合来得到,则由图3,且根据三角正弦定理有：

    
 
    由式(5)和式(6)可解得：

      
 
    式(7)和式(8)中,TPWM可事先选定;Uout可由U／?曲线确定：θ可由电压角频率ω和nTPWM的乘积确定。因此,当Ux和Ux±60确定后,就可根据式(7)和式(8)确定T1和T2。最后再根据确定的扇区,选出Ux和Yx±60即可。

    为了使每次状态转换时,开关管的开关次数最少,需要在TPWM期间插入零矢量的作用时间,使TPWM=T1+T2+T0。插入零矢量不是集中的加入,而是将零矢量平均分成几份,多点的插入到磁链轨迹中,这不但可使磁链的运动速度平滑,而且还可减少电机的转矩脉动。

     2.4 扇区号的确定

    将图2划分成6个区域,成为扇区。每个区域的扇区号已在图中标出。确定扇区号是非常重要的,因为只有知道Uout位于哪个扇区,才知道选用哪一对相邻的基本电压空间矢量合成Uout。下面介绍一种确定扇区号的方法,即当Uout以O,α,β坐标系的分量形式Uoutα,Uoutβ给出时,先计算Uref1=Uβ,,再用N=4sign(Uref3)+2sign(Uref2)+sign(Uref1)计算N值。式中sign(x)为符号函数,当x>0时,则sign(x)=1;当x<0时,则sign(x)=0。然后,根据N的值,查表l即可确定扇区了。

    在每一个PWM周期中,各扇区中Ux和Ux±60的切换换顺序如图2所示。图4示出七段式电压空间矢量PWM波的零矢量和非零矢量在0扇区的施加顺序及作用时间。 

    3 SVPWM的过调制处理

    正常SVPWM调制波的电压矢量的端点轨迹位于六边形的内切圆内,见图4。如果电压矢量的端点轨迹位于六边形的外接圆和外切圆之间时,SVPWM将出现过调制的暂态,这时若不采取措施,输出电压将会出现严重失真而增大电机的转矩脉动,由此应避免电压矢量进入该区。

    一般的做法是对端点超出六边形的部分进行压缩,保持其相位不变,将其端点回至内切圆内。工程实现时,先判断电压矢量的端点轨迹是否超出外切六边形,再计算T0,T1,T2,具体实现比较麻烦。一种简单的实现方法是,首先计算出T1,T2,并判断T1+T2>TPWM是否成立,若不成立,则保持T1,T2的值不变：若成立,则将电压矢量的端点轨迹拉回至圆的外切六边形内,假定此时的两非零矢量作用时间分别为T1,T2,则可得：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,并可得到所需的电压矢量Uout。图5示出过调制示意图。

    4 游览车的控制原理及其实现

    4.1 系统的组成和原理

    图6示出基于SVPWM的游览车控制框图。该系统采用转速闭环的转差频率控制方法,可以控制游览车以设定的速度行驶。系统的控制电路由DSP控制芯片、逻辑控制单元、司控台通讯单元、各种信号检测及速度采样电路组成：主电路采用IPM模块;牵引电机为三相异步电机。

    系统对实际速度和给定速度实时采样,计算转差频率,经过PI调节后的转差频率作为转差给定,与实际的转速相加得到此时的同步频率?,然后根据U／?函数计算出电机的定子参考相电压Uout,其幅值代表相电压的幅值,其旋转角速度就是输出的正弦电压角频率。Uout的角度θ由同步电压角频率积分得到,SVPWM模块根据Uout和电压同步频率?1生成PWM调制波形。

    4.2 系统的软件实现

    软件大体分为主程序和SVPWM中断服务程序两部分。主程序主要完成显示以及与司机控制台的通讯。图7示出SVPWM中断服务程序流程图。主要完成电流、电压的A／D转换;实际速度和给定速度的检测;SVPWM的波形生成。该系统采用了软件生成SVPWM波形。其步骤是：①根据实际转速和给定转差算出?1,并对?1积分得到θ;②根据压频函数算出Uout;有了上述值,可根据前公式计算出Uoutα,Uoutβ,Uref3,Uref2和Uref1;③确定扇区和计算T1,T2,T0;④判断是否过调制,如果过调制,则重新计算T1,T2,T0;⑤更新比较寄存器的值,中断服务程序完毕。

    5 试验波形及结论

    图8示出逆变器输出的相电流is和线电压uab,波形。电流的有效值为23.27A,频率为24.78Hz。由图可见,电流波形为良好的正弦波。

    该系统采用TMS320LF2407 DSP作为控制芯片,实现了转差频率控制策略,并用软件法生成SVPWM波形控制游览车的逆变器,实现了电动游览车所要求的恒转矩启动、恒功率运行的牵引特性。该系统具有控制策略简单,系统稳定性好,动态响应快,牵引力大,加速性能和制动性能好的特点。

    （来源：电力电子技术）