SVPWM调制波的建模与仿真

张巴图，贺文健，李 波

SVPWM调制波的建模与仿真

张巴图1，贺文健2，李 波2

（1. 神华准能集团有限责任公司科学技术研究院，内蒙古鄂尔多斯 010300；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文分析了SVPWM调制技术原理，并介绍一种基于动态零矢量的调制方法AZSPWM，利用MATLAB对两种调制方法控制下的三相电压型逆变器进行了建模。通过软件仿真，验证了SVPWM调制方法可以提高输入电压利用率，AZSPWM在此基础上可以降低共模电压。并在基于TMS320F28335的DSP芯片上进行了实验验证。

SVPWM AZSPWM 共模电压 MATLAB仿真 DSP验证

0 引言

SVPWM与SPWM是原理不同的两种矢量脉宽调制技术，SPWM调制是基于正弦波对三角波进行脉宽调制，而SVPWM是使电动机获得理想圆磁场为控制目标, 基于逆变器不同的开关组合产生8个基本的空间电压矢量，根据各基本电压矢量作用时序产生对应的SVPWM波形[1]。与SPWM相比，SVPWM的电压利用率高了约15%[2]。

共模电压是影响电机性能的重要因素之一，为减小电机运行时产生的共模电压大小，本文介绍一种基于动态零矢量的改进SVPWM调制方式AZSPWM，该方法可以将共模电压降低66.7%，从而提高电机性能。

对SVPWM和AZSPWM两种矢量调制方法在Matlab/Simulink软件中进行仿真建模，并基于TMS320F28335的DSP芯片进行算法实现，验证理论分析结果。

1 三相电压型逆变器的电压矢量模型

如图1所示，建立一种连接三相电机的电压型逆变器的电路拓扑，电机定子绕组为星型联结。

在图1中，逆变器输出侧的三相电压分别为Ua、Ub、Uc。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6代表三相桥臂的6个开关元件，设A、B、C三相桥臂上有对应开关变量a、b、c。当上桥臂开通时，对应开关变量值为1，当下桥臂开通时，对应开关变量值为0。以A相为例，有：

输出电压的相电压矢量和线电压矢量与开关变量矢量之间的关系表示为公式（1）和公式（2）:

其中，Udc是电压源逆变器的直流供电电压，或称为总线电压。不难看出，因为开关变量a、b、c只能取0和1，所以有8种不同组合，即三相桥臂有8种不同的开关状态，故相电压Ua、Ub、Uc 和线电压Uab、Ubc、Uca也有8种对应的组合[3]。

Ua、Ub、Uc转换至（）坐标系中，有以下矢量关系等式：

2 SVPWM调制波作用时间的计算

Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的开关组合决定的8个基本电压矢量在空间中的位置如图2所示。

图2 电压矢量与触发信号（a,b,c）关系图

3 基于改进SVPWM调制策略的共模电压抑制

对于图一所示的两电平三相电压逆变器而言，其共模电压定义为逆变器输出中性点处与逆变器直流母线电压中点之间的电压No[4]，根据逆变器拓扑：

三相相电压关系如公式3-2所示

因此共模电压可表示为：

根据前述分析，逆变器基于上下桥臂开关的不同组合可工作在8种状态下，结合公式（10），不同工作状态下对应产生的共模电压大小分别为：0=-dc/2，0=-dc/2，1=-Udc/6，2=dc/6，3=-dc/6，4=-dc/6，5=-dc/6，6=dc/6，7=dc/2

分析文献[6-10]研究结果可得，抑制共模电压主要包括两方面思路：一是改变电路拓扑结构如采用三相四桥臂等，二是优化SVPWM调制算法，从表2中可以看出，三相逆变器的共模电压在两个零矢量0（000）、7（111）时最大，为直流母线电压的一半。为减小共模电压，在工作过程中应避免零矢量参与电压矢量的合成。

本文介绍一种采用动态零矢量空间矢量调制方法（AZSPWM）。该方法利用相位相差180度的两个相反电压矢量代替传统SVPWM调制方法中的零矢量，即采用U1U4、U2U5、U3U6的非零矢量组合取代空间电压矢量合成中的零矢量U0U7。

图3为AZSPWM空间矢量合成图。

图3 AZSPWM空间矢量合成图

合成电压矢量作用时序为：U5-U4-U6-U2-U6-U3-U5。

AZSPWM第一扇区电压矢量作用时序如图4所示：

图4 AZSPWM第一扇区矢量作用时序图

从图4可以看出，当采用AZSPWM调制策略控制逆变器时，因为未使用零电压矢量，从而使三相电压逆变器产生的共模电压最大值从Udc/2下降至Udc/6，仅为传统SVPWM调制方法共模电压最大值的1/3。

2、4、5、6的作用时间分别为：

AZSPWM在各扇区内的的时序图如下：

4 SVPWM、AZSPWM仿真

传统SVPWM和AZSPWM合成空间电压矢量所使用的电压矢量不同，每个扇区内参与合成的电压矢量时序图也不相同。在Matlab/Simulink仿真软件中分别搭建系统模型得到如下的仿真波形：

图5 不同控制方法下电机三相电流波形

图5图6分别为两种调制策略下三相电机的相电流波形和共模电压波形。观察图5可知不同逆变器调制策略下电机的三相电流波形正弦度都很好，说明两种控制策略下电机的运行状态比较理想。但是从图6中可以看到传统SVPWM控制电机共模电压值最大为250 V，而改进的无零矢量调制方式控制的电机共模电压最大值仅为83.3 V，相比降低了66.7%。与理论分析一致。

图6 不同控制方法下电机共模电压波形

5 SVPWM、AZSPWM的DSP实现

为验证无零矢量SVPWM调制算法对共模电压的抑制作用，本文采用TI公司型号为TMS320F28335的DSP芯片进行测试。选择TMS320F28335的定时器为连续增减模式。

PWM波产生的原理为：计数器依据PWM周期重复计数，当计数值与比较寄存器中的值相同时，产生比较匹配信号进入DSP内部集成的波形发生单元，使PWM波形发生跳变。当两个值二次匹配时，生成的PWM波发生第二次跳变，如此就实现了占空比与比较寄存器中值成比例的方波脉冲信号[11-12]。

图7 DSP生成PWM波示意图

以第一扇区为例求取比较时间，根据公式（11），令X、Y、Z分别为：

将X、Y、Z的值分别赋给CMPR1、CMPR2、CMPR3与计数器进行比较。与传统SVPWM调制方式计算比较时间不同的是，AZSPWM在各扇区内的时序图会出现“凹”形，因此在CCS软件中进行程序编写时，在不同扇区内，根据时序图对应的波形形状，在比较时间处对ePWMxA和ePWMxB置高或置低。两种调制方式下DSP输出的PWM波形在示波器上如图8所示，电机工作时的共模电压值如图9所示。分析图8可知，采用AZSPWM调制算法后，DSP输出的PWM波中不再含有000和111的状态，避免了零电压矢量参与空间电压的合成。从图9可以看出，在相同的工作参数下，AZSPWM调制算法下的共模电压下降为传统调制策略的1/3。与理论分析和仿真结果一致。验证了该算法的正确性和有效性。

6 结论

本文分析了SVPWM的技术原理，并对SVPWM和AZSPWM建立仿真模型，仿真结果说明AZSPWM可以将共模电压降低66.7%。并基于TMS320F28335芯片进行算法实现，通过实验验证了AZSPWM的共模电压抑制作用。

图8 两种调制方式的共模电压图

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Modeling and smulation of SVPWM modulation wave

Zhang Batu1, He Wenjian2, Li Bo2

(1. Institute of Science and Technology , Shenhua Zhunneng Group Co., Ltd, Erdos 010300, Inner Mongolia, China,2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM46

A

1003-4862（2022）08-0007-05

2020-09-24

张巴图(1983-)，男，高级工程师。主要从事电气传动系统设计科技管理工作。E-mail: skybright@126.com