CN103532416A - 一种基于svpwm算法的车辆控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于SVPWM算法的车辆控制系统，首先，建立基于SVPWM算法的三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波；再按SVPWM算法的平均值等效原理，在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等，进而在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到；两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM控制波形。本方案的算法简单、仅需进行简单的逻辑判断，即可得到用于合成参考的电压矢量。

Description

一种基于SVPWM算法的车辆控制系统

技术领域

本发明涉及车辆控制系统领域，尤其是指一种基于SVPWM算法的车辆控制系统。

背景技术

逆变器包括有正弦波逆变器和方波逆变器。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的40－60%，不能带感性负载。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。针对上述缺点，出现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好。总括来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。但现有的逆变器在使用过程中，由于其负载电流通过各相桥臂，会在直流侧中点产生一定的电流，使分压电容电压不平衡。电容电压不平衡会增大输出电压波形的谐波含量，同时会加大开关器件的电压应力，甚至会损坏开关器件、击穿直流侧电容。因此，在变频调速系统中，需要通过控制算法进行适当选择开关状态方程的自由度来均衡电容电压。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于SVPWM算法的车辆控制系统。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于SVPWM算法的车辆控制系统，其特征在于：首先，建立基于SVPWM算法的三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波；再按SVPWM算法的平均值等效原理，在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等，进而在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到；两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM 控制波形；首先，设直流母线侧电压为U_dc，逆变器输出的三相相电压为U_A、U_B、U_C，其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，定义三个电压空间矢量 U_A(t)、U_B(t)、U_C(t)，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差120°，当相电压有效值为U_m，电源频率为f时，则有：

  (1-1)

其中，

，则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量U(t)就可以表示为：

         (1-2)

可见 U(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值为相电压峰值的1.5倍，U_m为相电压峰值，且以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量 U(t)在三相坐标轴(a，b，c)上的投影就是对称的三相正弦量；

由于逆变器三相桥臂共有6组开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，定义开关函数

为：

        (1-3)

(S_a、S_b、S_c)的全部组合共有八个，包括六个非零矢量 U_l(001)、U₂(010)、U₃(011)、U₄(100)、U₅(101)、U₆(110)、和两个零矢量U₀(000)、U₇(111)，其中，非零矢量的幅值相同(模长为2U_dc/3)，相邻的矢量间隔 60°,而两个零矢量幅值为零，位于中心；在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量，即：

               (1-5)

或者等效成下式：

             

        (1-6)

其中，U_ref 为期望电压矢量；T为采样周期；T_x、T_y、T₀分别为对应两个非零电压矢量 U_x、U_y和零电压矢量 U₀在一个采样周期的作用时间；其中U₀包括了U₀和U₇两个零矢量，式(1-6)的意义是，矢量 U_ref 在T时间内所产生的积分效果值和 U_x、U_y、U₀分别在时间 T_x、T_y、T₀内产生的积分效果相加总和值相同；

由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹将是圆形，所以要产生三相正弦波电压，可以利用以上电压向量合成的技术，在电压空间向量上，将设定的电压向量由U₄(100)位置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可以用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此所得到的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。

本发明的优点在于：仅需进行简单的逻辑判断，即可得到用于合成参考的电压矢量，同时，在算法中引入输出开关状态方程，可以有效的控制直流侧中点电位平衡，避免了复杂的运算，节省了计算量，且实现了对逆变器的实时控制，使用方法可以有效的应用到车辆控制系统中。

附图说明

图1为本发明的逆变电路图。

图2为本发明实施例中的矢量U₄(100)示意图。

图3为本发明的八个基本电压空间矢量的大小和位置示意图。

图4为本发明的电压空间向量在第Ⅰ区的合成与分解示意图。

图5为本发明的SVPWM模式下电压矢量幅值边界示意图。

图6为本发明的I扇区时示意图。

图7为应用本算法计算出的车辆控制原理图。

具体实施方式

下面结合所有附图对本发明作进一步说明，本发明的较佳实施例为：参见附图1和附图7，本实施例所述的基于SVPWM算法的车辆控制系统，首先，建立基于SVPWM算法的三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波；再按SVPWM算法的平均值等效原理，在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等，进而在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到；两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM 控制波形；首先，设直流母线侧电压为U_dc，逆变器输出的三相相电压为U_A、U_B、U_C，其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，定义三个电压空间矢量 U_A(t)、U_B(t)、U_C(t)，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差120°，当相电压有效值为U_m，电源频率为f时，则有：

               

           (1-1)

其中，

，则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量U(t)就可以表示为：

       

  (1-2)

可见 U(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值为相电压峰值的1.5倍，U_m为相电压峰值，且以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量 U(t)在三相坐标轴(a，b，c)上的投影就是对称的三相正弦量。

参见附图1，由于逆变器三相桥臂共有6组开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，特定义开关函数

为：

                  

              (1-3)

(S_a、S_b、S_c)的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢量 U_l(001)、U₂(010)、U₃(011)、U₄(100)、U₅(101)、U₆(110)、和两个零矢量U₀(000)、U₇(111)，下面以其中一种开关组合为例分析，假设

， 此时，参见附图2 矢量U₄(100)，得出如下方程式：

             

        (1-4)

求解上述方程可得：U_aN=2U_d/3、U_bN=-U_d/3、U_cN=-U_d /3。同理可计算出其它各种组合下的空间电压矢量，列表如下：

表 1-1  开关状态与相电压和线电压的对应关系

参见附图3，其中非零矢量的幅值相同(模长为2U_dc/3)，相邻的矢量间隔 60°,而两个零矢量幅值为零，位于中心。在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量，即：

          

     (1-5)

或者等效成下式：

                     (1-6)

其中，U_ref 为期望电压矢量；T为采样周期；T_x、T_y、T₀分别为对应两个非零电压矢量 U_x、U_y和零电压矢量 U₀在一个采样周期的作用时间；其中U₀包括了U₀和U₇两个零矢量。式(1-6)的意义是，矢量 U_ref 在T时间内所产生的积分效果值和 U_x、U_y、U₀分别在时间 T_x、T_y、T₀内产生的积分效果相加总和值相同。

由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹将是如图1-3 所示的圆形。所以要产生三相正弦波电压，可以利用以上电压向量合成的技术，在电压空间向量上，将设定的电压向量由U₄(100)位置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可以用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此所得到的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。

SVPWM 法则推导

三相电压给定所合成的电压向量旋转角速度为

，旋转一周所需的时间为

；若载波频率是，则频率比为 

 。这样将电压旋转平面等 切 割 成 

个 小 增 量 ，亦 即 设 定 电 压 向 量 每 次 增 量 的 角 度 是 ： 

                     (1-7)                            

今假设欲合成的电压向量U_ref 在第Ⅰ区中第一个增量的位置，如图1-4所示，欲用 U₄、U₆、U₀ 及 U₇ 合成，用平均值等效可得：

                 

            (1-8)                                   

参见附图4，在两相静止参考坐标系(α,β)中，令 U_ref 和 U₄ 间的夹角是θ，由正弦定理

可得：

        

   (1-9)                         

因为 |U₄|=|U₆|=2U_dc/3 ，所以可以得到各矢量的状态保持时间为：

                  

             (1-10)

式中m为SVPWM调制系数，

。(调制比=调制波基波峰值/载波基波峰值)

而零电压向量所分配的时间为：

                    T₇=T₀=(T_S-T₄-T₆)/2               (1-11)                                   

或

                       T₇=(T_S-T₄-T₆)                 (1-12)                                                    

得到以 U₄、U₆、U₇ 及 U₀ 合成的 U_ref 的时间后，接下来就是如何产生实际的脉宽调制波形。在SVPWM 调制方案中，零矢量的选择是最具灵活性的，适当选择零矢量，可最大限度地减少开关次数，尽可能避免在负载电流较大的时刻的开关动作，最大限度地减少开关损耗。

一个开关周期中空间矢量按分时方式发生作用，在时间上构成一个空间矢量的序列，空间矢量的序列组织方式有多种，按照空间矢量的对称性分类，可分为两相开关换流与三相开关换流。下面对常用的序列做分别介绍。

7段式SVPWM

我们以减少开关次数为目标，将基本矢量作用顺序的分配原则选定为：在每次开关状态转换时，只改变其中一相的开关状态。并且对零矢量在时间上进行了平均分配，以使产生的 PWM 对称，从而有效地降低 PWM 的谐波分量。当 U₄(100)切换至 U₀(000)时，只需改变 A 相上下一对切换开关，若由 U₄(100)切换至 U₇(111)则需改变 B、C 相上下两对切换开关，增加了一倍的切换损失。因此要改变电压向量 U₄(100)、U₂(010)、 U₁(001)的大小，需配合零电压向量 U₀(000)，而要改变 U₆(110)、U₃(011)、U₅(100)， 需配合零电压向量 U₇(111)。这样通过在不同区间内安排不同的开关切换顺序， 就可以获得对称的输出波形，其它各扇区的开关切换顺序如表 1-2 所示。

表 1-2 U_REF 所在的位置和开关切换顺序对照序

以第Ⅰ扇区为例，其所产生的三相波调制波形在时间 T_S 时段中如图所示，图中电压向量出现的先后顺序为 U₀、U₄、U₆、U₇、U₆、U₄、U₀，各电压向量的三相波形则与表1-2 中的开关表示符号相对应。再下一个 T_S 时段，U_ref 的角度增加一个

，利用式(1-9)可以重新计算新的 T₀、T₄、T₆ 及 T₇ 值，得到新的合成三相类似新的三相波形；这样每一个载波周期T_S就会合成一个新的矢量，随着θ的逐渐增大，U_ref 将依序进入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区。在电压向量旋转一周期后，就会产生 R 个合成矢量。

5段式SVPWM

对7段而言，发波对称，谐波含量较小，但是每个开关周期有6次开关切换，为了进一步减少开关次数，采用每相开关在每个扇区状态维持不变的序列安排，使得每个开关周期只有3次开关切换，但是会增大谐波含量。具体序列安排见下表。

表1-3 U_REF 所在的位置和开关切换顺序对照序

基于SVPWM 算法的控制系统

通过以上 SVPWM 的法则推导分析可知要实现SVPWM信号的实时调制，首先需要知道参考电压矢量 U_ref(期望电压矢量)所在的区间位置（参见图4），然后利用所在扇区的相邻两电压矢量和适当的零矢量来合成参考电压矢量。图1-4是在静止坐标系(α,β)中描述的电压空间矢量图，电压矢量调制的控制指令是矢量控制系统给出的矢量信号 U_ref，它以某一角频率ω在空间逆时针旋转，当旋转到矢量图的某个60°扇区中时，系统计算该区间所需的基本电压空间矢量，并以此矢量所对应的状态去驱动功率开关元件动作。当控制矢量在空间旋转360° 

后，逆变器就能输出一个周期的正弦波电压。

 合成矢量 U_ref所处扇区 N 的判断

空间矢量调制的第一步是判断由 U_α和U_β所决定的空间电压矢（U_ref）量所处的扇区。假定合成的电压矢量落在第 I 扇区，可知其等价条件如下：0<arctan(U_β/U_α)<60 o 

 以上等价条件再结合矢量图几何关系分析，可以判断出合成电压矢量。 

U_ref 落在第 X扇区的充分必要条件,得出下表1-4：

    若进一步分析以上的条件，有可看出参考电压矢量U_ref 所在的扇区完全由U_β,

 U_α- U_β,-

 U_α- U_β 三式决定，因此令：

                    

             (1-13)                    

再定义，若U₁>0 ，则 A=1，否则 A=0； 若U₂>0 ，则 B=1，否则 B=0；若U₃>0 ，则 C=1，否则 C=0。可以看出 A，B，C 之间共有八种组合，但由判断扇区的公式可知 A，B，C 不会同时为 1 或同时为 0，所以实际的组合是六种，A，B，C 组合取不同的值对 应着不同的扇区，并且是一一对应的，因此完全可以由 A，B，C 的组合判断所在的扇区。为区别六种状态，令 N=4*C+2*B+A，则可以通过下表计算参考电压 矢量 U_ref 所在的扇区。

表 1-5 N值与扇区对应关系

N	3	1	5	4	6	2
							扇区号	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ	Ⅵ

采用上述方法，只需经过简单的加减及逻辑运算即可确定所在的扇区，对于提高系统的响应速度和进行仿真都是很有意义的。

基本矢量作用时间计算与三相 PWM 波形的合成 

    在传统 SVPWM 算法如式(1-10)中用到了空间角度及三角函数，使得直接计算基本电压矢量作用时间变得十分困难。实际上，只要充分利用 U_α 和 U_β 就可以使计算大为简化。以 U_ref 处在第Ⅰ扇区时进行分析，根据图 1-4 有：

       

  (1-14)         

经过整理后得出： 

                

            (1-15)            

      

(1-16)

同理可求得U_ref在其它扇区中各矢量的作用时间，结果如表1-6所示。由此可根据式(1-13)中的U₁ 、U₂ 、U₃ 判断合成矢量所在扇区，然后查表得出两非零矢量的作用时间，最后得出三相PWM波占空比，表1-6可以使SVPWM算法编程简易实现。

为了实现算法对各种电压等级适应，一般会对电压进行标幺化处理，实际电压

，为标幺值，在定点处理器中一般为Q12格式，即标幺值为1时，等于4096，假定电压基值为

，U_nom为系统额定电压，一般为线电压，这里看出基值为相电压的峰值。

以DSP的PWM模块为例，假设开关频率为f_s，DSP的时钟为f_dsp，根据PWM的设置要是想开关频率为f_s时，PWM周期计数器的值为N_Tpwm=f_dsp/f_s/2,则对时间转换为计数值进行如下推导：

其中

和

为实际值的标幺值，令发波系数， 

同理可以得到

表 1-6各扇区基本空间矢量的作用时间

由公式（1-16）可知，当两个零电压矢量作用时间为0时，一个PWM周期内非零电压矢量的作用时间最长，此时的合成空间电压矢量幅值最大，由图1-5，可知其幅值最大不会超过图中所示的正六边形边界。而当合成矢量落在该边界之外 时，将发生过调制，逆变器输出电压波形将发生失真。在SVPWM调制模式下， 逆变器能够输出的最大不失真圆形旋转电压矢量为图1-5所示虚线正六边形的内切圆，其幅值为：

，即逆变器输出的不失真最大正弦相电压幅值为

 ，而若采用三相SPWM调制，逆变器能输出的不失真最大正弦相电压幅值为 U_dc/2 。显然SVPWM  调制模式下对直流侧电压利用率更高，它们的直流利用率 之比为 

，即SVPWM法比SPWM法的直流电压利用率提高了15.47%。

参见附图5，如图当合成电压矢量端点落在正六边形与外接圆之间时，已发生过调制，输出电压将发生失真，必须采取过调制处理，这里采用一种比例缩小算法。定义每个扇区中先发生的矢量作用为T_Nx，后发生的矢量作用时间为T_Ny。当T_x+T_y≤T_NPWM 时，矢量端点在正六边形之内，不发生过调制；当  T_Nx+T_Ny> T_NPWM时，矢量端点超出正六边形，发生过调制。输出的波形会出现严重的失真，需采取以下措施：

设将电压矢量端点轨迹端点拉回至正六边形内切圆内时两非零矢量作用时间分别为 T_Nx'，T_Ny'，则有比例关系：

                     

                 (1-17)

因此可用下式求得 T_Nx'，T_Ny'，T_N0，T_N7： 

                 

            (1-18)

按照上述过程，就能得到每个扇区相邻两电压空间矢量和零电压矢量的作用时间。当U_ref所在扇区和对应有效电压矢量的作用时间确定后，再根据PWM调制原理，计算出每一相对应比较器的值，参见附图6，其运算关系如下： 

             

        (1-19)                                  

同理可以推出5段时，在I扇区时如式，

                  

            (1-20)

不同PWM比较方式，计数值会完全不同，两者会差180度

其他扇区以此类推，可以得到表1-7，式中 N_taon 、N_tbon 和N_tcon 分别是相应的比较器的计数器值，而不同扇区时间分配如表1-7所示，并将这三个值写入相应的比较寄存器就完成了整个 SVPWM 的算法。

表 1-7  不同扇区比较器的计数值

以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于SVPWM算法的车辆控制系统，其特征在于：首先，建立基于SVPWM算法的三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波；再按SVPWM算法的平均值等效原理，在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等，进而在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到；两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM 控制波形；首先，设直流母线侧电压为U_dc，逆变器输出的三相相电压为U_A、U_B、U_C，其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，定义三个电压空间矢量 U_A(t)、U_B(t)、U_C(t)，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差120°，当相电压有效值为U_m，电源频率为f时，则有：

    (1-1)

其中，

，则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量U(t)就可以表示为：

       

       (1-2)

可见 U(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值为相电压峰值的1.5倍，U_m为相电压峰值，且以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量 U(t)在三相坐标轴(a，b，c)上的投影就是对称的三相正弦量；

由于逆变器三相桥臂共有6组开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，定义开关函数

为：

      (1-3)

(S_a、S_b、S_c)的全部组合共有八个，包括六个非零矢量 U_l(001)、U₂(010)、U₃(011)、U₄(100)、U₅(101)、U₆(110)、和两个零矢量U₀(000)、U₇(111)，其中，非零矢量的幅值相同(模长为2U_dc/3)，相邻的矢量间隔 60°,而两个零矢量幅值为零，位于中心；在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量，即：

       

      (1-5)

或者等效成下式：

         (1-6)

其中，U_ref 为期望电压矢量；T为采样周期；T_x、T_y、T₀分别为对应两个非零电压矢量 U_x、U_y和零电压矢量 U₀在一个采样周期的作用时间；其中U₀包括了U₀和U₇两个零矢量，式(1-6)的意义是，矢量 U_ref 在T时间内所产生的积分效果值和 U_x、U_y、U₀分别在时间 T_x、T_y、T₀内产生的积分效果相加总和值相同；

由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹将是圆形，所以要产生三相正弦波电压，可以利用以上电压向量合成的技术，在电压空间向量上，将设定的电压向量由U₄(100)位置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可以用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此所得到的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。

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