基于PSPICE的SVPWM仿真研究

刘 娜,张旭辉

(河南城建学院,河南平顶山467036)

0 引言

空间矢量脉冲宽度调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)是电力电子的关键技术之一[1]。与传统的SPWM相比,这种调制方式下功率器件开关次数减少1/3,直流电压利用率提高15%。由于其易于实时控制,控制方法简单,数字化实现方便,因此,SVPWM技术广泛应用于电机控制领域。

1 SVPWM调制的基本原理

图1中的三相电压型逆变电路由三个桥臂构成,每个桥臂有上下2个开关管,其开关状态互补,实际调制过程中为避免上下开关管直通,会加入死区时间[2]。通常定义Sa,b,c=1为上桥臂开关管导通时的状态,Sa,b,c=0为上桥臂开关管关闭时的状态,则S=(Sa,Sb,Sc)有图2所示的8种开关矢量,其中6个非零矢量,2个零矢量。SVPWM的调制原理是在一个周期T内,控制邻近参考电压矢量和2个零矢量的作用时间,使其综合作用效果在平均伏秒意义上与参考电压矢量等效。

图1 三相电压型逆变电路

图2 电压空间矢量

SVPWM的调制步骤为[3-4]：

⑴判断参考电压矢量所在扇区;

⑵计算与参考电压矢量相邻的两个电压矢量作用时间;

⑶确定电压矢量的作用顺序,计算开关作用时间,生成SVPWM波。

2 基于PSPICE的SVPWM仿真实现

PSPICE软件中的ABM(Analog Behavioral Modeling)具有条件判断、函数赋值的功能,通过函数模块的合理组合还可以实现循环运算,因此很适合用于SVPWM发波方式的实现[5]。图3为电压矢量的扇区判断流程。

若电压矢量在第一扇区,且其相邻矢量(100)、(110)和零矢量(000)、(111)的作用时间分别为T1、T2、T0,则七段式的分配方式如图4所示。调制实现中,以ABM的受控电压源模块产生图5所示的锯齿波作为参考值,根据图4中各矢量的分配时间分别给定A、B、C三相桥臂上管VT1、VT2、VT3的驱动信号。以A相为例：0-T0/4时段,VT1驱动给低电平信号;T0/4-(Ts-T0/4)时段,VT1驱动给高电平信号;(Ts-T0/4)-Ts时段,VT1驱动给低电平信号。其余两相的驱动信号给定方法相同。图1中逆变电路三个桥臂的中点A、B、C输出即为SVPWM调制的三相交流电压。

图3 电压矢量的扇区判断过程

图4 第Ⅰ扇区SVPWM电压矢量作用图

图5 SVPWM发波方式实现

3 仿真结果分析及实验验证

设定图1中直流侧电压UDC=300 V,参考输出交流电压幅值100 V,频率50 Hz,阻感负载R=0.2,L=0.2 mH,分别对调制频率FS为1 800 Hz、3 600 Hz的工况进行仿真分析。

图6为两种调制频率下的电压矢量角在各扇区的变化情况。其中上图的调制频率为3 600Hz,电压矢量的每个调制周期旋转5度;下图的调制频率为1 800 Hz,电压矢量的每个调制周期旋转10度。

图7为不同调制频率下的三相相电流波形。可以看出,由于调制频率高时相电流中的高频成分较容易被阻感负载滤掉,高调制频率下的相电流更平滑。图8是与图7对应的不同调制频率下的A相电流频率分析结果。可见提高调制频率,可以减少低次谐波分量,降低电流谐波畸变率。

图6 调制频率改变时的电压矢量角度变化规律

图7 两种调制频率下的三相交流输出电流特征

图8 两种调制频率下的交流输出电流的频谱特征

应用TMS320F2407实现上述的SVPWM发波过程,其中采样周期T=100 μ s,死区时间Td=3.4 μ s。图9为a相电流、uv线电压的实验波形,可以看出,相电流的波形接近于理想的正弦波,电流谐波含量少、波形失真较小。图10为与之对应的仿真波形,二者有较好的吻合度。

图9 a相电流、uv线电压的仿真波形

图10 a相电流、uv线电压的实验波形

4 结论

本文分析了SVPWM的调制原理,基于PSPICE的行为建模方法实现了其发波方式并对不同调制频率下的电路进行了仿真。对交流输出电流的谐波分析表明,其谐波主要分布在载波频率fs及其整数倍附近,可以通过调节调制频率和设计合理的滤波器来降低谐波污染。同时实验结果证明该调制方法易于硬件实现,实时性强,稳定可靠,具有电流谐波成分少,控制精度高的特点,是一种优良的PWM控制方案。

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