本實(shí)用新型涉及PWM調(diào)制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

三相逆變是通過逆變電路把直流電轉(zhuǎn)變成三相交流電的過程，三相逆變?cè)谛履茉吹拈_發(fā)、電力有源濾波器、無(wú)功發(fā)生器、光伏、風(fēng)能、儲(chǔ)能電池等設(shè)備中被廣泛應(yīng)用。三相逆變通常采用如圖1所示的逆變橋電路(或稱逆變器電路)，在逆變橋電路中具有六只功率開關(guān)器件T1～T6，C₁～C₆分別是六只功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，u、v、w為逆變橋電路輸出的三相相電壓，U_dc是逆變橋電路的直流電壓。通過控制電路對(duì)逆變橋電路進(jìn)行有序控制，使逆變橋電路輸出三相交流電。

SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制，Space Vector Pulse Width Modulation)調(diào)制技術(shù)是在三相逆變過程中，產(chǎn)生三相逆變橋電路中六只功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)C₁～C₆，用所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制六只功率開關(guān)器件，最終使逆變電路輸出三相交流電。

將逆變電路輸出的三相相電壓u、v、w分別加在空間上互差120°的三相平面靜止坐標(biāo)系上，可以定義三個(gè)電壓空間矢量u(t)、v(t)、w(t)，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律做變化，時(shí)間相位互差120°，如圖2所示。假設(shè)U_m為相電壓的有效值，f為電源頻率，則有：

u(t)＝U_mcos(θ) (1)

v(t)＝U_mcos(θ-2π/3) (2)

w(t)＝U_mcos(θ+2π/3) (3)

其中，θ＝2πft＝ωt，三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量U(t)可以表示為：

可見，U(t)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值為相電壓峰值U_m的1.5倍，且以角頻率ω＝2πf按逆時(shí)針方向勻速旋轉(zhuǎn)；空間矢量U(t)在三相坐標(biāo)軸上的投影就是對(duì)稱的三相正弦量。

三相逆變的原理就是使圖1中逆變橋電路輸出的u、v、w合成的矢量V_ref盡量模擬圖2中的矢量圓。在圖1中，六只功率開關(guān)器件可分為三個(gè)橋臂，分別為u臂、v臂和w臂，三個(gè)橋臂均工作在開關(guān)狀態(tài)；每一橋臂的兩器件不能全通，也不能全閉；定義上開下關(guān)為1，上關(guān)下開為0。這樣，u臂、v臂、w臂的工作狀態(tài)可分為(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)六個(gè)基本矢量，以及(000)、(111)兩個(gè)零矢量。可以理解零矢量時(shí)逆變橋電路不輸出能量，六個(gè)基本矢量組成了基本矢量空間。六個(gè)基本矢量把基本矢量空間分割成六個(gè)區(qū)間：它們分別是I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)間，如圖3所示。把一個(gè)輸出逆變周期等分成六個(gè)扇區(qū)，一個(gè)扇區(qū)分成n等分，每一份就是一個(gè)調(diào)制周期(或稱開關(guān)周期)，即：一個(gè)扇區(qū)內(nèi)包含n個(gè)調(diào)制周期。

結(jié)合圖4，SVPWM調(diào)制原理的四個(gè)基本公式如下：

T_s＝T_k+T_k+1+T₀ (6)

式(7)和(8)適用于第I扇區(qū)；在其他扇區(qū)內(nèi)，由于θ角度的不同，因此式(7)和(8)會(huì)有差異。上面四個(gè)式子中，V_ref為合成的矢量(或稱參考電壓矢量，亦即旋轉(zhuǎn)矢量)，V₀為零矢量(000)或(111)，T_s為SVPWM調(diào)制周期，T_k為矢量V_k所作用的時(shí)間，T_k+1為矢量V_k+1所作用的時(shí)間，T₀為矢量V₀所作用的時(shí)間。在第I扇區(qū)內(nèi)，V_k為(100)，V_k+1為(110)；在Ⅱ扇區(qū)內(nèi)，V_k為(110)，V_k+1為(010)；在第Ⅲ扇區(qū)內(nèi)，V_k為(010)，V_k+1為(011)；在第Ⅳ扇區(qū)內(nèi)，V_k為(011)，V_k+1為(001)；在第Ⅴ扇區(qū)內(nèi)，V_k為(001)，V_k+1為(101)；在第Ⅵ扇區(qū)內(nèi)，V_k為(101)，V_k+1為(100)。參考電壓矢量V_ref旋轉(zhuǎn)到某一扇區(qū)內(nèi)的某一角度θ時(shí)，其是該扇區(qū)相鄰矢量V_k、V_k+1和零矢量V₀在這個(gè)調(diào)制周期內(nèi)共同作用的結(jié)果，其數(shù)值大小等于三個(gè)矢量分別乘其作用時(shí)間T_k、T_k+1和T₀與調(diào)制周期T_s比值之和。U_dc為逆變系統(tǒng)的直流母線電壓。

SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過對(duì)基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等，見公式(5)及圖4。在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來(lái)得到，見公式(5)和(6)。兩個(gè)相鄰矢量的作用時(shí)間在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，見公式(7)和(8)，使電壓空間矢量按接近圓的軌跡旋轉(zhuǎn)。

SVPWM調(diào)制的經(jīng)典方法是七段式調(diào)制，把公式(7)和(8)中的參考電壓矢量V_ref分解為α、β直角坐標(biāo)中的V_α和V_β兩個(gè)分量；或利用相差120°的三相信號(hào)源，通過Clark變換，轉(zhuǎn)變成α、β直角坐標(biāo)中的V_α和V_β兩個(gè)分量，然后利用V_α和V_β控制SVPWM過程。

SVPWM七段式調(diào)制是現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛、總諧波(THD)含量最低的一種方法。但是，利用參考電壓矢量V_ref和公式(7)和(8)直接控制SVPWM調(diào)制涉及到大量三角函數(shù)運(yùn)算，比較繁瑣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就是提供一種五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用極坐標(biāo)ρ、θ控制SVPWM調(diào)制的過程，調(diào)制時(shí)只需輸入有限的幾個(gè)三角函數(shù)值即可完成調(diào)制，不僅解決了七段式調(diào)制運(yùn)算復(fù)雜、繁瑣的問題，而且逆變效果仿真分析總諧波略高于經(jīng)典的七段式調(diào)制方法。

本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)，包括四個(gè)輸入端、一個(gè)輸出端、模2計(jì)數(shù)器、模6計(jì)數(shù)器、兩路選擇開關(guān)、第一常數(shù)端、第二常數(shù)端、第一加法器、第二加法器、減法器、第一比較器、第二比較器、三個(gè)六路選擇開關(guān)以及三個(gè)反向器；

四個(gè)輸入端分別為：輸入離散的采樣值的第一輸入端，輸入離散的采樣值x_(k+1)i＝sin(Δθi)的第二輸入端，輸入頻率為6f的方波信號(hào)的第三輸入端，輸入周期為T_s的單位幅值的等腰三角形鋸齒波信號(hào)的第四輸入端；其中，Δθ＝π/3×n，n為基本矢量空間六個(gè)扇區(qū)中每一扇區(qū)內(nèi)的SVPWM調(diào)制波個(gè)數(shù)，f為逆變器的輸出頻率，T_s為SVPWM調(diào)制周期；

第一輸入端和第二輸入端分別接兩路選擇開關(guān)的兩個(gè)輸入端，第三輸入端經(jīng)模2計(jì)數(shù)器后與兩路選擇開關(guān)的控制端相接，在模2計(jì)數(shù)器的控制下，在奇扇區(qū)內(nèi)，兩路選擇開關(guān)輸出x_ki；在偶扇區(qū)內(nèi)，兩路選擇開關(guān)輸出x_(k+1)i；

第一輸入端和第二輸入端分別接第一加法器的兩個(gè)輸入端，第一加法器的輸出端接減法器的一個(gè)輸入端，減法器的另一輸入端接第二常數(shù)端，第二常數(shù)端輸出1，減法器的輸出端輸出V_a，且V_a＝x_0i＝1-(x_ki+x_(k+1)i)；

減法器的輸出端分別與第一比較器和第二加法器的輸入端相接，第二加法器的另一輸入端接兩路選擇開關(guān)的輸出端，第二加法器的輸出端與第二比較器的輸入端相接；第二加法器的輸出端輸出V_b，且在奇扇區(qū)內(nèi)，V_b＝x_0i+x_ki；在偶扇區(qū)內(nèi)，V_b＝x_0i+x_(k+1)i；

第四輸入端分別與第一比較器和第二比較器的輸入端相接，第一比較器用于對(duì)V_a與單位幅值的等腰三角形鋸齒波進(jìn)行比較，當(dāng)單位幅值的等腰三角形鋸齒波小于V_a時(shí)，輸出0，否則輸出1；第二比較器用于對(duì)V_b與單位幅值的等腰三角形鋸齒波進(jìn)行比較，當(dāng)單位幅值的等腰三角形鋸齒波小于V_b時(shí)，輸出0，否則輸出1；

第一常數(shù)端輸出0，第一比較器、第二比較器、第一常數(shù)端的輸出端分別與三個(gè)六路選擇開關(guān)的輸入端相接；第三輸入端經(jīng)模6計(jì)數(shù)器后分別與三個(gè)六路選擇開關(guān)的控制端相接，在模6計(jì)數(shù)器的控制下，三個(gè)六路選擇開關(guān)選擇性輸出第一比較器、第二比較器和第一常數(shù)端以排列形式輸出的信號(hào)；

三個(gè)六路選擇開關(guān)的輸出端一方面與輸出端相接，另一方面各經(jīng)一個(gè)反向器后與輸出端相接，輸出端輸出用于驅(qū)動(dòng)逆變器電路中六只功率開關(guān)器件的六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

上述五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)還可以包括第一乘法器和第二乘法器；第一輸入端經(jīng)所述第一乘法器后分別與兩路選擇開關(guān)和第一加法器相接，第二輸入端經(jīng)所述第二乘法器后分別與兩路選擇開關(guān)和第一加法器相接；第一乘法器用于使第一輸入端輸入的采樣值x_ki擴(kuò)大a倍，第二乘法器用于使第二輸入端輸入的采樣值x_(k+1)i擴(kuò)大a倍，且0＜a＜1。

上述五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)零矢量為V₀(000)時(shí)的五段式SVPWM調(diào)制波形，若依照零矢量為V₇(111)時(shí)的五段式SVPWM調(diào)制波形，所得五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如下：

一種五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)，包括四個(gè)輸入端、一個(gè)輸出端、模2計(jì)數(shù)器、模6計(jì)數(shù)器、兩路選擇開關(guān)、第一常數(shù)端、第二常數(shù)端、第一加法器、第二加法器、減法器、第一比較器、第二比較器、三個(gè)六路選擇開關(guān)以及三個(gè)反向器；

四個(gè)輸入端分別為：輸入離散的采樣值x_(k+1)i＝sin(Δθi)的第一輸入端，輸入離散的采樣值的第二輸入端，輸入頻率為6f的方波信號(hào)的第三輸入端，輸入周期為T_s的單位幅值的等腰三角形鋸齒波信號(hào)的第四輸入端；其中，Δθ＝π/3×n，n為基本矢量空間六個(gè)扇區(qū)中每一扇區(qū)內(nèi)的SVPWM調(diào)制波個(gè)數(shù)，f為逆變器的輸出頻率，T_s為SVPWM調(diào)制周期；

第一輸入端和第二輸入端分別接兩路選擇開關(guān)的兩個(gè)輸入端，第三輸入端經(jīng)模2計(jì)數(shù)器后與兩路選擇開關(guān)的控制端相接，在模2計(jì)數(shù)器的控制下，在奇扇區(qū)內(nèi)，兩路選擇開關(guān)輸出x_(k+1)i；在偶扇區(qū)內(nèi)，兩路選擇開關(guān)輸出x_ki；

第一輸入端和第二輸入端分別接第一加法器的兩個(gè)輸入端，第一加法器的輸出端接減法器的一個(gè)輸入端，減法器的另一輸入端接第二常數(shù)端，第二常數(shù)端輸出1，減法器的輸出端輸出V_a，且V_a＝x_0i＝1-(x_ki+x_(k+1)i)；

減法器的輸出端分別與第一比較器和第二加法器的輸入端相接，第二加法器的另一輸入端接兩路選擇開關(guān)的輸出端，第二加法器的輸出端與第二比較器的輸入端相接；第二加法器的輸出端輸出V_b，且在奇扇區(qū)內(nèi)，V_b＝x_0i+x_(k+1)i；在偶扇區(qū)內(nèi)，V_b＝x_0i+x_ki；

第四輸入端分別與第一比較器和第二比較器的輸入端相接，第一比較器用于對(duì)V_a與單位幅值的等腰三角形鋸齒波進(jìn)行比較，當(dāng)單位幅值的等腰三角形鋸齒波小于V_a時(shí)，輸出1，否則輸出0；第二比較器用于對(duì)V_b與單位幅值的等腰三角形鋸齒波進(jìn)行比較，當(dāng)單位幅值的等腰三角形鋸齒波小于V_b時(shí)，輸出1，否則輸出0；

第一常數(shù)端輸出1，第一比較器、第二比較器、第一常數(shù)端的輸出端分別與三個(gè)六路選擇開關(guān)的輸入端相接；第三輸入端經(jīng)模6計(jì)數(shù)器后分別與三個(gè)六路選擇開關(guān)的控制端相接，在模6計(jì)數(shù)器的控制下，三個(gè)六路選擇開關(guān)選擇性輸出第一比較器、第二比較器和第一常數(shù)端以排列形式輸出的信號(hào)；

三個(gè)六路選擇開關(guān)的輸出端一方面與輸出端相接，另一方面各經(jīng)一個(gè)反向器后與輸出端相接，輸出端輸出用于驅(qū)動(dòng)逆變器電路中六只功率開關(guān)器件的六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

這個(gè)技術(shù)方案中，也可以如第一個(gè)技術(shù)方案所述增加第一乘法器和第二乘法器；第一輸入端經(jīng)所述第一乘法器后分別與兩路選擇開關(guān)和第一加法器相接，第二輸入端經(jīng)所述第二乘法器后分別與兩路選擇開關(guān)和第一加法器相接；第一乘法器用于使第一輸入端輸入的采樣值x_(k+1)i擴(kuò)大a倍，第二乘法器用于使第二輸入端輸入的采樣值x_ki擴(kuò)大a倍，且0＜a＜1。

經(jīng)典七段式SVPWM調(diào)制方法是無(wú)論輸入何種方式的控制信號(hào)，最后控制信號(hào)均轉(zhuǎn)換成αβ兩軸直角坐標(biāo)方式，由參考電壓矢量V_ref在αβ軸上的投影來(lái)控制SVPWM調(diào)制過程。本實(shí)用新型利用極坐標(biāo)ρ、θ控制SVPWM調(diào)制的過程，在這里ρ是參考電壓矢量V_ref，θ是V_ref的移相角，相當(dāng)于逆變器輸出的ωt。由公式由于U_dc是逆變器直流，是常數(shù)，因此通過調(diào)整a，可達(dá)到調(diào)整V_ref的目的，V_ref是逆變器輸出三相電壓矢量和后的幅值，稱參考電壓矢量。以三角函數(shù)的形式輸入移相角θ＝ωt，采用適當(dāng)?shù)耐茖?dǎo)后，可以看出六個(gè)扇區(qū)具有相同的輸入，這些輸入均為離散的三角函數(shù)值，并且僅需要第一扇區(qū)有限個(gè)離散的三角函數(shù)值，即可完成SVPWM調(diào)制。本實(shí)用新型采樣歸一化后可以簡(jiǎn)化計(jì)算，使SVPWM調(diào)制非常簡(jiǎn)單，更適合解耦控制。而且，在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，切換逆變器狀態(tài)四次，開關(guān)損耗低于七段式調(diào)制。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制的大量繁瑣計(jì)算，如果采用硬件調(diào)制，其過程調(diào)制是僅輸入有限的幾個(gè)三角函數(shù)值，即可完成SVPWM調(diào)制；按照這個(gè)硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，也可以將此方法移植到軟件調(diào)制。查閱國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)，本實(shí)用新型為最簡(jiǎn)SVPWM調(diào)制電路。

附圖說明

圖1是三相逆變橋電路的主回路示意圖。

圖2是逆變電路輸出三相相電壓在三相平面靜止坐標(biāo)系上的示意圖。

圖3是六個(gè)基本矢量組成的基本矢量空間的示意圖。

圖4是合成的參考電壓矢量在基本矢量空間第一扇區(qū)內(nèi)與相鄰矢量零矢量之間的關(guān)系示意圖。

圖5是零矢量為V₀(000)時(shí)的五段式SVPWM調(diào)制在基本矢量空間的調(diào)制波形；其中，圖5(a)是第I扇區(qū)調(diào)制波形，圖5(b)是第Ⅱ扇區(qū)調(diào)制波形，圖5(c)是第Ⅲ扇區(qū)調(diào)制波形，圖5(d)是第Ⅳ扇區(qū)調(diào)制波形，圖5(e)是第Ⅴ扇區(qū)調(diào)制波形，圖5(f)是第Ⅵ扇區(qū)調(diào)制波形。

圖6是零矢量為V₇(111)時(shí)的五段式SVPWM調(diào)制在基本矢量空間的調(diào)制波形；其中，圖6(a)是第I扇區(qū)調(diào)制波形，圖6(b)是第Ⅱ扇區(qū)調(diào)制波形，圖6(c)是第Ⅲ扇區(qū)調(diào)制波形，圖6(d)是第Ⅳ扇區(qū)調(diào)制波形，圖6(e)是第Ⅴ扇區(qū)調(diào)制波形，圖6(f)是第Ⅵ扇區(qū)調(diào)制波形。

圖7是在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)采樣值x_ki、x_(k+1)i、x_0i與T_ki、T_(k+1)i、T_0i之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖。

圖8是圖5中五段式SVPWM調(diào)制波形在第一扇區(qū)的波形以及與之相對(duì)應(yīng)的、幅值為1的等腰三角形兩者之間的關(guān)系示意圖。

圖9是本實(shí)用新型所提供的五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10中，圖10(a)是第三輸入端輸入的頻率為300Hz的方波信號(hào)示意圖，圖10(b)是模2計(jì)數(shù)器輸出的頻率為150Hz的方波信號(hào)示意圖，圖10(c)是模6計(jì)數(shù)器輸出的頻率為50Hz的階梯狀信號(hào)示意圖。

圖11是本實(shí)用新型仿真所得未濾波的4個(gè)周期的三相線電壓波形示意圖。

圖12是本實(shí)用新型仿真所得未濾波的1個(gè)周期的三相線電壓波形示意圖。

圖13是本實(shí)用新型仿真所得濾波后的4個(gè)周期的三相線電壓波形示意圖。

圖14是本實(shí)用新型仿真所得三相相電壓的波形示意圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型提供了一種五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)。本實(shí)用新型是在SVPWM調(diào)制基本原理的基礎(chǔ)上，在傳統(tǒng)五段式SVPWM的調(diào)制波形的基礎(chǔ)上完成的。本實(shí)用新型具體是提供了SVPWM生成調(diào)制波的計(jì)算方法以及它的SVPWM調(diào)制硬件電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法可以移植為SVPWM軟件調(diào)制方案。

在七段式SVPWM調(diào)制中，零矢量V₀(000)和V₇(111)均出現(xiàn)，各占50％。而在五段式SVPWM調(diào)制中，可以僅使用零矢量V₀(000)，也可以僅使用V₇(111)。參見圖5和圖6，圖5和圖6均示出了五段式SVPWM調(diào)制波形，所不同的是，圖5中對(duì)應(yīng)零矢量為V₀(000)，圖6中對(duì)應(yīng)零矢量為V₇(111)。圖5和圖6中只示出了用于驅(qū)動(dòng)逆變橋電路的三個(gè)橋臂中上功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)波形C₁-C₃，下功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)波形C₄-C₆是驅(qū)動(dòng)波形C₁-C₃的非。調(diào)制波形規(guī)定了參考電壓矢量V_ref在每個(gè)扇區(qū)，在一個(gè)SVPWM調(diào)制周期T_s內(nèi)，相鄰矢量V_k、V_k+1和零矢量(V₀、V₇)作用的順序，時(shí)間分配的比率。隨參考電壓矢量V_ref的旋轉(zhuǎn)角度或位置不同，相鄰矢量V_k、V_k+1的作用時(shí)間T_k、T_k+1是不斷變化的，但調(diào)制波形的基本構(gòu)成不變。

在不同的扇區(qū)，參考電壓矢量V_ref所對(duì)應(yīng)的相鄰矢量V_k、V_k+1是不同的。參考電壓矢量V_ref在第I扇區(qū)(0-60°)內(nèi)，V_k為(100)，V_k+1為(110)；在Ⅱ扇區(qū)(60°-120°)內(nèi)，V_k為(110)，V_k+1為(010)；在第Ⅲ扇區(qū)(120°-180°)內(nèi)，V_k為(010)，V_k+1為(011)；在第Ⅳ扇區(qū)(180°-240°)內(nèi)，V_k為(011)，V_k+1為(001)；在第Ⅴ扇區(qū)(240°-300°)內(nèi)，V_k為(001)，V_k+1為(101)；在第Ⅵ扇區(qū)(300°-360°)內(nèi)，V_k為(101)，V_k+1為(100)。

本實(shí)用新型所提供的SVPWM調(diào)制系統(tǒng)(也可稱調(diào)制電路)，由于是數(shù)字調(diào)制，只需輸入離散的、有限的幾個(gè)正弦信號(hào)采樣點(diǎn)值即可完成SVPWM調(diào)制。其過程是：

在基本矢量空間六個(gè)扇區(qū)共有等間隔采樣點(diǎn)M＝6n，相當(dāng)于360°一周的采樣點(diǎn)數(shù)；n為每個(gè)扇區(qū)的采樣點(diǎn)數(shù)，則采樣間隔為如果逆變器輸出頻率為f，則調(diào)制頻率為f_s＝6nf，調(diào)制周期為例如，當(dāng)f＝50Hz，n＝12，則采樣間隔Δθ＝5°，SVPWM調(diào)制頻率為f_s＝3.6KHz，調(diào)制周期為

下面以第I扇區(qū)為例，介紹SVPWM調(diào)制方法。

在基本矢量空間的第一扇區(qū)，即0-60°，用單位幅值的等腰三角形鋸齒波對(duì)正弦信號(hào)做規(guī)則采樣。正弦信號(hào)的采樣值分別為：

x_(k+1)i＝sin(Δθi)，i＝0～n (10)

其中，Δθ為采樣間隔。實(shí)際上，采樣值就是相應(yīng)點(diǎn)Δθi和的三角函數(shù)值。

由公式(9)、(10)可以看出，有：

x_(k+1)i＝x_k(n-i)，i＝0～n (12)

所以，實(shí)際SVPWM調(diào)制中，當(dāng)n＝12時(shí)，僅需輸入x_ki的13個(gè)三角函數(shù)值，即可完成調(diào)制，13個(gè)x_(k+1)i可以通過公式(12)推導(dǎo)獲得，13個(gè)x_0i可以通過公式(11)計(jì)算獲得。

SVPWM調(diào)制原理的四個(gè)基本公式如下：

T_s＝T_k+T_k+1+T₀ (6)

設(shè)a為幅度系數(shù)，且當(dāng)a＝1時(shí)，比值和具有最大值，參考電壓矢量V_ref具有最大幅值，逆變器輸出也為最大值；當(dāng)a＝0時(shí)，參考電壓矢量V_ref為零，逆變器輸出最小。調(diào)整a值可以獲得不同的參考電壓矢量V_ref，V_ref的幅值是可調(diào)的，同時(shí)可使逆變器獲得不同的輸出。V_ref相當(dāng)于基于極坐標(biāo)控制中的旋轉(zhuǎn)矢量ρ。

當(dāng)V_ref旋轉(zhuǎn)到θi時(shí)，在Δθ間隔內(nèi)，相當(dāng)于SVPWM的一個(gè)調(diào)制周期T_s內(nèi)，采樣值x_ki、x_(k+1)i、x_0i就是相應(yīng)的相鄰矢量持續(xù)時(shí)間T_ki、T_(k+1)i和T_0i與調(diào)制周期T_s在a＝1時(shí)的比值，具體公式如下：

x_0i＝1-a(x_ki+x_(k+1)i)。 (16)

如圖7所示，當(dāng)采樣點(diǎn)為θ_i時(shí)，用相似三角形圖解了x_ki、x_(k+1)i、x_0i與T_ki、T_(k+1)i、T_0i之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，證明了公式(13)～(16)成立。隨著θ_i的變化，比值x_ki、x_(k+1)i以及相鄰向量的持續(xù)時(shí)間T_ki、T_(k+1)i均發(fā)生變化。

如果逆變器輸出頻率為f＝50Hz，SVPWM調(diào)制頻率為f_s，輸出一個(gè)周波內(nèi)有M＝(f_s/f)個(gè)SVPWM調(diào)制波，一個(gè)扇區(qū)內(nèi)分配n＝(M/6)個(gè)SVPWM調(diào)制波。

例如，當(dāng)n＝12時(shí)，在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)有12個(gè)SVPWM調(diào)制波；M＝6n＝72，一個(gè)周波內(nèi)有72個(gè)SVPWM調(diào)制波，SVPWM調(diào)制頻率為f_s＝72×50＝3.6KHz，采樣間隔Δθ＝5°。

由公式(9)i＝0～n；可得：

x_k0＝sin60°、x_k1＝sin55°、x_k2＝sin50°、x_k3＝sin45°、x_k4＝sin40°、x_k5＝sin35°、x_k6＝sin30°、x_k7＝sin25°、x_k8＝sin20°、x_k9＝sin15°、x_k10＝sin10°、x_k11＝sin5°、x_k12＝sin0°。

由公式(12)x_(k+1)i＝x_k(n-i)，i＝0～n，推導(dǎo)出：

x_(k+1)0＝sin0°、x_(k+1)1＝sin5°、x_(k+1)2＝sin10°、x_(k+1)3＝sin15°、x_(k+1)4＝sin20°、x_(k+1)5＝sin25°、x_(k+1)6＝sin30°、x_(k+1)7＝sin35°、x_(k+1)8＝sin40°、x_(k+1)9＝sin45°、x_(k+1)10＝sin50°、x_(k+1)11＝sin55°、x_(k+1)12＝sin60°。

由公式(11)i＝0～n，計(jì)算出：x₀₀、x₀₁、x₀₂、x₀₃、x₀₄、x₀₅、x₀₆、x₀₇、x₀₈、x₀₉、x₀₁₀、x₀₁₁、x₀₁₂。

可以看出，在n＝12的SVPWM調(diào)制過程中，調(diào)制電路僅輸入x_ki的13個(gè)三角函數(shù)值即可完成SVPWM調(diào)制，其它x_0i、x_(k+1)i值可通過推導(dǎo)和計(jì)算獲得。當(dāng)然，x_(k+1)i值也可通過公式(10)計(jì)算得知。

在基于極坐標(biāo)的控制中，旋轉(zhuǎn)矢量ρ的角度θ＝ωt也作為一個(gè)控制參量，在本實(shí)用新型中，用θ的正弦函數(shù)x_ki、x_(k+1)i、x_0i做控制參量；x_ki、x_(k+1)i、x_0i已經(jīng)包含了角度信息。

其它五個(gè)扇區(qū)可重復(fù)使用這些數(shù)據(jù)。

參見圖8，圖8所示為圖5中五段式SVPWM調(diào)制波形在第一扇區(qū)的波形以及與之相對(duì)應(yīng)的、幅值為1的等腰三角形兩者之間的關(guān)系示意圖。以第一扇區(qū)為例如何獲得比較參數(shù)(或稱比較門限參數(shù))V_a、V_b，需要找出向量作用時(shí)間T_k、T_(k+1)、T₀與波形的占空比T_a、T_b以及采樣值x_ki、x_(k+1)i、x_0i與比較門限參數(shù)V_a、V_b之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由圖8，可得出：

公式(18)適用于奇扇區(qū)，即適用于第I、Ⅲ、Ⅴ區(qū)間；公式(19)適用于偶扇區(qū)，即適用于第Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ扇區(qū)。這是因?yàn)椋蓤D5中調(diào)制波形可以看出，在基本矢量空間的六個(gè)扇區(qū)中，奇偶扇區(qū)的V_k和V_k+1的切換順序是不一樣的。本實(shí)用新型中可用兩路選擇開關(guān)切換V_k和V_k+1，300Hz兩分頻后為奇偶扇區(qū)控制信號(hào)，用于V_k和V_k+1切換控制。

結(jié)合圖7，可得出：

V_a＝x_0i (20)

V_b＝x_0i+x_ki (21)

V_b＝x_0i+x_(k+1)i (22)

公式(21)適用于奇扇區(qū)，公式(22)適用于偶扇區(qū)。

由于圖5中第一扇區(qū)內(nèi)，有一個(gè)調(diào)制波始終為低電平，因此令V_c＝0，用電壓比較器輸入單位幅度周期為T_s的等腰三角形鋸齒波與V_a、V_b、V_c分別比較后，即可獲得圖5中第一扇區(qū)的SVPWM調(diào)制波形。圖5中其它扇區(qū)的SVPWM調(diào)制方法與第一扇區(qū)相同。

根據(jù)圖5中調(diào)制波形所獲得的五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖9所示，該電路結(jié)構(gòu)具體包括：第一輸入端1、第二輸入端2、第三輸入端3、第四輸入端4、輸出端5、模2計(jì)數(shù)器6，模6計(jì)數(shù)器7、第一乘法器8、第二乘法器9、兩路選擇開關(guān)10、第一常數(shù)端11、第二常數(shù)端12、第一加法器13、第二加法器14、減法器15、第一比較器16、第二比較器17、第一六路選擇開關(guān)18、第二六路選擇開關(guān)19、第三六路選擇開關(guān)20、第一反向器21、第二反向器22、第三反向器23。

第一輸入端1輸入的是離散的采樣值x_ki，采樣間隔n為基本矢量空間六個(gè)扇區(qū)中每一扇區(qū)內(nèi)的SVPWM調(diào)制波個(gè)數(shù)，i＝0～n；第二輸入端2輸入的是離散的采樣值x_(k+1)i，x_(k+1)i＝sin(Δθi)，采樣間隔第三輸入端3輸入的是方波信號(hào)，方波信號(hào)的頻率是逆變器輸出頻率f的6倍，如圖10(a)所示，如果逆變器輸出頻率f＝50Hz，則第三輸入端3輸入的方波信號(hào)的頻率是300Hz；第四輸入端4輸入的是單位幅值(即幅值是1)的等腰三角形鋸齒波信號(hào)，且第四輸入端4輸入的等腰三角形鋸齒波信號(hào)的周期為T_s，頻率為f_s，T_s即是SVPWM調(diào)制周期，f_s是SVPWM調(diào)制頻率。

第一輸入端1經(jīng)第一乘法器8后分別與兩路選擇開關(guān)10和第一加法器13的輸入端相接，第一乘法器8可使得第一輸入端1輸入的采樣值x_ki擴(kuò)大a倍，a為幅度系數(shù)，且0＜a＜1，本實(shí)施例中a為0.9。第二輸入端2經(jīng)第二乘法器9后分別與兩路選擇開關(guān)10和第一加法器13的輸入端相接，第二乘法器9可使得第二輸入端2輸入的采樣值x_(k+1)i擴(kuò)大a倍。其他實(shí)施例中可以不設(shè)置第一乘法器8和第二乘法器9，即a＝1。

第三輸入端3連接模2計(jì)數(shù)器6的輸入端，模2計(jì)數(shù)器6輸出頻率為3f的方波信號(hào)，如圖10(b)所示，即模2計(jì)數(shù)器6輸出的方波信號(hào)的周期是第三輸入端3輸入的方波信號(hào)周期的2倍，模2計(jì)數(shù)器6的輸出端與兩路選擇開關(guān)10的控制端相接，當(dāng)模2計(jì)數(shù)器6輸出“0”(即對(duì)應(yīng)低電平)時(shí)，控制兩路選擇開關(guān)10輸出ax_ki；當(dāng)模2計(jì)數(shù)器6輸出“1”(即對(duì)應(yīng)高電平)時(shí)，控制兩路選擇開關(guān)10輸出ax_(k+1)i。模2計(jì)數(shù)器6輸出“0”時(shí)對(duì)應(yīng)第I、Ⅲ、Ⅴ區(qū)間，模2計(jì)數(shù)器6輸出“1”時(shí)對(duì)應(yīng)第Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ扇區(qū)。

第一加法器13用于將第一乘法器8和第二乘法器9輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，即使ax_ki與ax_(k+1)i相加；第一加法器13的輸出端連接減法器15的負(fù)向輸入端，減法器15的正向輸入端連接第二常數(shù)端12，第二常數(shù)端12輸出常數(shù)1，因此，減法器15的輸出端輸出x_0i＝1-a(x_ki+x_(k+1)i)，此處令V_a＝x_0i。

減法器15的輸出端分別與第一比較器16和第二加法器14的輸入端相接；第二加法器14的另一輸入端與兩路選擇開關(guān)10的輸出端相接，第二加法器14輸出V_b，且在奇扇區(qū)內(nèi)，V_b＝x_0i+x_ki，在偶扇區(qū)內(nèi)，V_b＝x_0i+x_(k+1)i。第二加法器14的輸出端與第二比較器17的輸入端相接。

第四輸入端4分別與第一比較器16和第二比較器17的輸入端相接。第一比較器16用于對(duì)V_a與單位幅值的等腰三角形鋸齒波進(jìn)行比較，當(dāng)單位幅值的等腰三角形鋸齒波小于V_a時(shí)，輸出“0”(即低電平)，否則輸出“1”(即高電平)。第二比較器17用于對(duì)V_b與單位幅值的等腰三角形鋸齒波進(jìn)行比較，當(dāng)單位幅值的等腰三角形鋸齒波小于V_b時(shí)，輸出“0”(即低電平)，否則輸出“1”(即高電平)。第一常數(shù)端11始終輸出常數(shù)“0”，即：第一常數(shù)端11始終輸出低電平信號(hào)。

第一比較器16、第二比較器17和第一常數(shù)端11的輸出端分別與三個(gè)六路選擇開關(guān)的輸入端相接。每一個(gè)六路選擇開關(guān)均具有一個(gè)控制端和六個(gè)輸入端(圖中以0～5六個(gè)引腳所示)，第一比較器16、第二比較器17和第一常數(shù)端11的輸出端均與三個(gè)六路選擇開關(guān)中的兩個(gè)輸入端相接，例如：圖9中，第一比較器16的輸出端與第一六路選擇開關(guān)18中0引腳和5引腳所示的兩個(gè)輸入端相接，與第二六路選擇開關(guān)19中1引腳和2引腳所示的兩個(gè)輸入端相接，與第三六路選擇開關(guān)20中3引腳和4引腳所示的兩個(gè)輸入端相接；第二比較器17的輸出端與第一六路選擇開關(guān)18中1引腳和4引腳所示的兩個(gè)輸入端相接，與第二六路選擇開關(guān)19中0引腳和3引腳所示的兩個(gè)輸入端相接，與第三六路選擇開關(guān)20中2引腳和5引腳所示的兩個(gè)輸入端相接；第一常數(shù)端11的輸出端與第一六路選擇開關(guān)18中2引腳和3引腳所示的兩個(gè)輸入端相接，與第二六路選擇開關(guān)19中4引腳和5引腳所示的兩個(gè)輸入端相接，與第三六路選擇開關(guān)20中0引腳和1引腳所示的兩個(gè)輸入端相接。這樣一來(lái)，三個(gè)六路選擇開關(guān)中，對(duì)應(yīng)輸入端(引腳數(shù)字相同的屬于對(duì)應(yīng)輸入端)分別連接第一比較器16、第二比較器17和第一常數(shù)端11，且引腳0～5所示的六個(gè)對(duì)應(yīng)輸入端所連接的第一比較器16、第二比較器17和第一常數(shù)端11形成六種不同的排列形式。

第三輸入端3同時(shí)還連接模6計(jì)數(shù)器7的輸入端，模6計(jì)數(shù)器7的輸出端分別與三個(gè)六路選擇開關(guān)的控制端相接。如圖10(c)所示，模6計(jì)數(shù)器7輸出頻率為f的周期信號(hào)，且每一周期內(nèi)輸出0、1、2、3、4、5六個(gè)不同的電平，模6計(jì)數(shù)器7在每一周期內(nèi)所輸出的六個(gè)不同的電平信號(hào)，分別成為控制三個(gè)六路選擇開關(guān)中六個(gè)對(duì)應(yīng)輸入端的觸發(fā)開關(guān)信號(hào)，即：當(dāng)模6計(jì)數(shù)器7輸出0電平時(shí)，控制三個(gè)六路選擇開關(guān)中的0引腳的輸入端與輸出端導(dǎo)通；當(dāng)模6計(jì)數(shù)器7輸出1電平時(shí)，控制三個(gè)六路選擇開關(guān)中的1引腳的輸入端與輸出端導(dǎo)通；依此類推，由模6計(jì)數(shù)器7控制三個(gè)六路選擇開關(guān)輸出相應(yīng)的信號(hào)。

三個(gè)六路選擇開關(guān)的輸出端均與SVPWM調(diào)制系統(tǒng)的輸出端5相接，同時(shí)，第一六路選擇開關(guān)18的輸出端經(jīng)第一反向器21后與輸出端5相接，第二六路選擇開關(guān)19的輸出端經(jīng)第二反向器22后與輸出端5相接，第三六路選擇開關(guān)20的輸出端經(jīng)第三反向器23后與輸出端5相接。三個(gè)反向器分別用于對(duì)其所接收的信號(hào)進(jìn)行取非，因此，最終由輸出端5輸出六路IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這六路信號(hào)分別用于驅(qū)動(dòng)逆變器電路中的六只功率開關(guān)器件。

設(shè)置三個(gè)反向器，其原因是：由于逆變器每個(gè)橋臂上下兩只功率開關(guān)器件狀態(tài)互補(bǔ)，所以驅(qū)動(dòng)信號(hào)互為反向，圖5中六個(gè)扇區(qū)的波形均為上橋臂三只功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，反向后為下橋臂三只功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

仿真測(cè)試

仿照?qǐng)D9中電路結(jié)構(gòu)在SIMULINK下仿真，與圖9所不同的是，仿真時(shí)在第一輸入端1和第二輸入端2輸入的均為連續(xù)的模擬正弦信號(hào)(0-60°，第一輸入端1輸入的是連續(xù)的第二輸入端2輸入的是連續(xù)的sinθ)，即：用幅值為(π/3-0)和(0-π/3)的鋸齒波通過sin函數(shù)發(fā)生器獲得連續(xù)的x_ki、x_(k+1)i，而不是離散的正弦信號(hào)采樣值。通過仿真結(jié)果可證明模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)具有相同的仿真效果，而在數(shù)字電路中，圖9所示的電路結(jié)構(gòu)比較容易實(shí)現(xiàn)。

逆變條件：逆變器輸出頻率f＝50Hz，SVPWM調(diào)制頻率f_s＝3.6KHz，每周采樣72點(diǎn)，每扇區(qū)12點(diǎn)，直流電壓DC540V。測(cè)得U_U1V1、U_V1W1、U_W1U1線電壓波形如圖11和圖12所示，圖11和圖12均是未濾波的，圖11是逆變后50Hz，4個(gè)周期的線電壓波形圖，圖12是逆變后50Hz，1個(gè)周期的線電壓波形圖；接入LCL濾波模塊，測(cè)得U_UV、U_VW、U_WU線電壓波形如圖13所示，圖13是濾波后的線電壓波形；測(cè)得U_U、U_V、U_W相電壓波形如圖14所示。

上面的描述均是在圖5所示的調(diào)制波形的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，依照?qǐng)D6所示的調(diào)制波形，所得五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)與圖9中的電路結(jié)構(gòu)稍有區(qū)別，具體如下：

1、第一輸入端輸入的是離散的采樣值x_(k+1)i，x_(k+1)i＝sin(Δθi)；第二輸入端輸入的是離散的采樣值x_ki，

2、當(dāng)模2計(jì)數(shù)器輸出“0”(即對(duì)應(yīng)低電平)時(shí)，控制兩路選擇開關(guān)輸出ax_(k+1)i；當(dāng)模2計(jì)數(shù)器輸出“1”(即對(duì)應(yīng)高電平)時(shí)，控制兩路選擇開關(guān)輸出ax_ki。模2計(jì)數(shù)器輸出“0”時(shí)對(duì)應(yīng)第I、Ⅲ、Ⅴ區(qū)間，模2計(jì)數(shù)器輸出“1”時(shí)對(duì)應(yīng)第Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ扇區(qū)。因此，第二加法器輸出V_b，且在奇扇區(qū)內(nèi)，V_b＝x_0i+x_(k+1)i，在偶扇區(qū)內(nèi)，V_b＝x_0i+x_ki。

3、第一常數(shù)端始終輸出常數(shù)“1”，即輸出高電平信號(hào)。

4、第一比較器用于對(duì)V_a與單位幅值的等腰三角形鋸齒波進(jìn)行比較，當(dāng)單位幅值的等腰三角形鋸齒波小于V_a時(shí)，輸出“1”(即高電平)，否則輸出“0”(即低電平)。第二比較器17用于對(duì)V_b與單位幅值的等腰三角形鋸齒波進(jìn)行比較，當(dāng)單位幅值的等腰三角形鋸齒波小于V_b時(shí)，輸出“1”(即高電平)，否則輸出“0”(即低電平)。

依照?qǐng)D6所示的調(diào)制波形所得的五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)的其他地方均與圖9所示相同，具體可見圖9。

本實(shí)用新型所提供的五段式SVPWM調(diào)制方法相比經(jīng)典的七段式調(diào)制要簡(jiǎn)單得多，且本實(shí)用新型中五段式SVPWM調(diào)制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制原理有別于經(jīng)典七段式調(diào)制，且逆變仿真分析總諧波(THD)略高于七段式。再有，電路結(jié)構(gòu)中模6計(jì)數(shù)器的輸入頻率為逆變器輸出頻率的6倍，模6計(jì)數(shù)器輸出六個(gè)不同的狀態(tài)以送給三個(gè)六路選擇開關(guān)，用于選擇六個(gè)扇區(qū)，這種扇區(qū)的選擇比經(jīng)典的七段式SVPWM調(diào)制中的扇區(qū)選擇要簡(jiǎn)單的多。