SVPWM逆变电源电流采样方法的比较

电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．６Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００５

ＳＶＰＷＭ逆变电源电流采样方法的比较

耿华，于艾，杨耕

（清华大学，北京１０００８４）

摘要：电流闭环控制系统中，因电流反馈值的谐波分量而导致转矩脉动，降低了系统的稳定性和控制精度。本文通过仿真和实验比较了采用ＳＶＰＷＭ（逆变电源供电时，系统的３种电流采样ＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方法。结果表明，在ＰＷＭ波各开关周期的起点或中点时刻，对电机的电流进行采样，能够获得谐波成分相对较少的基波电流值，有利于实现高精度的电流闭环控制。

关键词：逆变器；脉宽调制；采样中图分类号：ＴＭ４６４，ＴＭ４６

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００－１００Ｘ（２００５）０６－０１３６－０２

ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＣｕｒｒｅｎｔＳａｍｐｌｉｎｇｉｎＳＶＰＷＭＩｎｖｅｒｔｅｒ

ＧＥＮＧＨｕａ，ＹＵＡｉ，ＹＡＮＧＧｅｎｇ

（ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓ，ｓｕｃｈａｓＶＣ（Ｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ）ｏｒＤＴＣ（ＤｉｒｅｃｔＴｏｒｑｕｅＣｏｎｔｒｏｌ）ｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓａｍｐｌｉｎｇ．Ｈａｒｍｏｎｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｔｈｅｆｅｅｄｂａｃｋｃｕｒ－ｒｅｎｔｗｈｉｃｈｉｓｓａｍｐｌｅｄｂｙｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒｗｉｌｌｇｅｎｅｒａｔｅｔｏｒｑｕｅｒｉｐｐｌｅｓｉｎｔｈｅｔｏｒｑｕｅｌｏｏｐａｎｄｄｅｇｒａｄｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｃｕｒｒｅｎｔｓａｍｐｌｉｎｇｏｆｔｈｅｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｓｕｐ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，

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ｓｕｃｈａｓａｌｔｅｒｎａｔｅａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｒｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｓ，ＡＰＦ（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒ）ｅｔｃ．ｒａｔｉｏ，

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ＰＷＭ；ｓａｍｐｌｉｎｇ

１引言

对于数字化交流传动系统，在诸如矢量控制等电

流闭环控制方法中，转矩环的性能直接影响着系统的控制效果。减少电流反馈值的谐波含量能提高电流环的控制精度和稳定性，从而改善转矩环的性能。

逆变电源产生的ＰＷＭ电压中，除基波分量外，还存在着大量的谐波，这些谐波电压会在电机中产生谐波电流。在进行电流闭环控制时，若采样不合适，采样后的电流中将存在因开关频率引起的大量谐波分量。这些谐波电流将导致转矩脉动、系统稳定域度缩小和闭环控制性能降低［１］。为实现高性能的电流闭环控制，有必要研究一种有效的电流采样方法。

迄今，许多文献都对ＰＷＭ下逆变电源的电流采样方法作了研究［１￣４］，一般来说，有瞬时同步采样法和非同步采样法两种方案。前者，在电流波形的某一瞬间进行采样，采样与开关频率ｆＳＶＰＷＭ同步，可设在

定稿日期：２００５－０３－２３作者简介：耿

华（，男，江苏扬州人，博士研究１９８１－）生，研究方向为电力驱动及电能转换。

也可设为ＰＷＭ波ＰＷＭ波各开关周期Ｔｓ的中点［２］，

各开关周期的起始时刻［３］，文献［４］还提出在空间电压零矢量前后取对称的两点进行采样，取其平均值作为采样值。该采样法的电流采样值中存在高频开关噪声，需增加低通滤波器加以滤除。后者，采样与

由于采样数据的处理需要一定时间，可ｆＳＶＰＷＭ不同步，

根据该时间决定ｆＳＶＰＷＭ，在电流波形的任一瞬间进行采样，或在其邻域采样若干点，以其平均值作为此时的采样值［３］。该采样法需增加采样装置，且采样值与真值之间会有一定的时延。

上述两种方案都需高速、高精度的电流采样装置，采样算法可通过高速ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓ－

来实现。ｓｏｒ）

为便于分析，简单介绍了ＳＶＰＷＭ三相逆变电源的工作原理；分析了３种实用的电流采样方法，并对其进行了比较。仿真和实验结果表明，在ＰＷＭ波各Ｔｓ的起点或中点时刻，对电机电流进行采样，能获得谐波成分较少的电流值，其瞬时采样值为该Ｔｓ内相电流基波分量的平均值，用此电流采样值来控

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ＳＶＰＷＭ逆变电源电流采样方法的比较

制转矩，易于实现高精度的电流闭环控制。

异步电机空载运行，非同步采样法的采样频率ｆｓａｍｐｌｅ＝仿真用异步电机参数为：额定电压Ｕｅ＝３８０Ｖ，２．５ｋＨｚ。

额定电流Ｉｅ＝６．８Ａ，定子电阻Ｒｄ＝１．７７８Ω，转子电阻，额定功率Ｐｅ＝３ｋＷ，定子漏感Ｌｄ＝９．５ｍＨ，Ｒｓ＝１．７７８Ω

转子漏感Ｌｓ＝９．５ｍＨ，额定频率ｆｅ＝５０Ｈｚ，额定转速Ｎｅ＝定转子互感Ｌ＝１８６．４５ｍＨ，极对数２，转动１４２０ｒ／ｍｉｎ，惯量为０．０８９ｋｇ・图３示出电机定子的实际相电流ｍ２。

ｉｄａ波形和对应３种方法的采样波形及其频谱。

２三相逆变电源ＳＶＰＷＭ原理

三相电压型逆变电源的３个桥臂共有８种开关状态，图１示出除去零态的６个非零态处于空间的特定位置。从逆变电源的非零态开关矢量中，可选择

两个相邻的矢量与零矢量ｕ０

合成成一个等效的旋转空间矢量Ｕ＊，通过调控Ｕ＊的大小和相位，实现三相逆变电源的

输出电压调控。

一个Ｔｓ内，若两个非零基本矢量ｕｎ，ｕｍ的作用时间分别为ｔ１，ｔ２，ｕ０的作用时间为ｔ０＝Ｔｓ－ｔ１－ｔ２，则由ＰＷＭ的面积等效原理，有ｕｎｔ１＋ｕｍｔ２＋ｕ０ｔ０＝Ｕ＊Ｔｓ；ｎ，

调节ｔ１，改ｍ∈｛０，１…６｝。ｔ２的比例可改变Ｕ＊的相位，

变ｕ０作用时间ｔ０的大小，可调节Ｕ＊的幅值。安排适当的ｕ０，可免除不必要的开关动作次数，降低ｆＳＶＰＷＭ，

减少开关损耗和谐波。工程上一般采用７段法来控制。图２示出第Ⅰ扇区内的三相

图２ＰＷＭ三相输出电压波形

ＰＷＭ电压波

形。本文重点比较了上述３种电流采样方法的效果。

图１空间电压矢量合成图

３３种电流检测方法的比较

图３实际和仿真波形及其频谱

图中Ｉｎ／Ｉ１———ｎ次谐波与基波电流幅值之比

电流环控制是矢量控制等电流闭环控制中的核

心，它决定了系统的动、静态性能。实现高性能闭环控制，除了要设计合适的电流环控制器，还要尽量减少电流反馈值中的谐波分量。此外，在一个电流环周期内需完成反馈电流的采样、电压死区补偿和输出电压等运算。由此，电流采样方法一般有非同步采样（方法１）、方法２）、ＰＷＭ波各Ｔｓ的起始时刻采样（

方法３）ＰＷＭ波各Ｔｓ的中点时刻采样（３种。方法２

的采样时刻为图２中ｕ０的时间段中点，方法３的采样时刻为图２中ｕ７的时间段中点。

４仿真结果

采用ＭＡＴＬＡＢ对上述不同的电流采样方法进行仿真。仿真中采用ｆＳＶＰＷＭ＝１．８ｋＨｚ的ＳＶＰＷＭ电压驱动

实际的ｉｄａ主要存由图可见，由于ｆＳＶＰＷＭ的影响，

在１倍、采用方法（２倍、３倍于ｆＳＶＰＷＭ的谐波分量。１）进行电流采样时，因采样不合适，采样电流中的开关噪声被放大，与实际电流值相比，谐波分量明显增多；采用方法（和方法（时，所得的采样电流波形２）３）近似为ｉｄａ的基波分量，与实际电流值相比，因ｆＳＶＰＷＭ引起的特定阶次谐波分量明显减小，其它阶次的谐波分量几乎为零，故实际控制系统中，这些特定阶次的谐波可通过电流调节器中设置的特定时间常数低通滤波器予以简单消除。方法（和方法（在本质２）３）上是一致的，采样点都设在ＰＷＭ波各Ｔｓ的ｕ０的中点，只不过采用方法（得到电流采样值后所剩的电３）

流环运算时间小于半个Ｔｓ。这两种方法在稳态电流

（下转第１４４页）采样时，其电流采样值中的

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第３９卷第６期２００５年１２月

电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．６Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００５

出发，探索性提出电力电子电路拓扑发展的３个新思路，即改善占空比调节特性的思路；变结构柔性变

流器的思路；模块可扩充性部件的思路。对于每个思路都代表性地提出了一些实施例。电力电子系统集成将是一项意义重大而深远的研究，其涉及面广，难度大，还需不断创新和发展。本文提出的３个思路也还需要进行大量的工作才能提出更多的具体实施例，以用于电力电子系统集成中。

（上接第１３７页）

参考文献

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谐波含量基本相同（见图３ｂ，，它们比方法（ｄ，ｆ，ｈ）１）的效果要好，且ＳＶＰＷＭ的ｆＳＶＰＷＭ越低，这两种方法的优势越明显。

５实验结果

实验系统由控制电路、三相电压型逆变电源、异步电机构成。控制器采用具有１２位转换精度的Ａ／Ｄ模块ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２型ＤＳＰ，实验中所用异步电机的参数同于仿真。功率输出智能ＩＧＢＴ模块的

用ｆＳＶＰＷＭ＝１．８ｋＨｚ，ｆｓａｍｐｌｅ＝２．５ｋＨｚ。采用ＳＶＰＷＭ调制，恒压频比（变频器Ｖ／ｆ）方法驱动电机带载运行，

输出频率ｆｏ＝１０Ｈｚ。图４示出不同采样方法下得到的ｉｄａ实验波形。比较图４和图３ａ，实ｃ，ｅ，ｇ可知，验结果与仿真结果一致。在ＰＷＭ波各Ｔｓ的起点或中点时刻进行电流采样可消除由谐波电流带来的不利影响，减小电流反馈值中的谐波分量，有利于实现高精度的闭环控制。

６结

比较了ＳＶＰＷＭ三相逆变电源的３种电流采样方法。在每个ＰＷＭ波开关周期的起点或中点时刻进行电流采样，能减小采样电流中的谐波分量，获得１４４

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!实际的电流基波分量。本文采用的电流采样方法具

有以下特点：①能够得到实际电流值的基波分量，用以控制转矩，实现电流闭环控制，有利于实现复杂的高精度闭环控制；通常为了抑②实际工程中，制开关噪声，会在电流采样电路中加入一个低通滤波器。由于其延时效应，方法（和方法（会滞２）３）后于实际电流基波值，这个误差可以通过电流的超前采样来消除。

当载波频率比较高时，一般的ＰＷＭ和ＳＶＰ－ＷＭ下各开关周期内的输出电压波形有类似图２的关系［５］，故上述电流采样方法适用于中小容量、载波频率比较高，且开关频率固定的ＰＷＭ逆变电源的各种系统，如交流异步、同步调速装置及有源滤波器等，同样也可用于开关频率可变的ＰＷＭ逆变电源下的各种系统。参考文献

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ＹＹａｍａｍｏｒｏ，ＴＫｏｄａｍａ，ＴＹａｍａｄａ，ｅｔａｌ．ＤｉｇｉｔａｌＣｕｒｒｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄｏｆＩｎｄｕｃｔｉｏｎＭｏｔｏｒＵｓｉｎｇＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＣｕｒｒｅｎｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈＰＷＭＳｉｇｎａｌ［Ｊ］．Ｔｒ．ｏｆＩＥＥ－Ｊａｐａｎ，：１９９２，１１２－Ｄ（７）６１３～６２２．

ＤＥｃｋａｒｄｔ．ＶｏｌｔａｇｅａｎｄＣｕｒｒｅｎｔＳｅｎｓｉｎｇｉｎＰｏｗｅｒ［３］ＡＭｅｒｔｅｎｓ，

ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓＵｓｉｎｇＳｉｇｍａ－ｄｅｌｔａＡ／ＤＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ［Ａ］．ＩＥＥＥ－ＩＡＳＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇＣｏｎｆ．Ｒｅｃ．［Ｃ］．１９９６：１０９２～１０９８．［４］ＶＢｌａｓｋｏ，ＶＫａｕｒａ，ＷＮｉｅｗｉａｄｏｍｓｋｉ．ＳａｍｐｌｉｎｇＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒ

ＤｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓＶｏｌｔａｇｅａｎｄＣｕｒｒｅｎｔＳｉｇｎａｌｓａｎｄＴｈｅｉｒＩｎ－

图４实验波形

ｆｌｕｅｎｃｅｏｎＢａｎｄｗｉｄｔｈｏｆＣｏｎｔｒｏｌＬｏｏｐｓｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＤｒｉｖｅｓ［Ａ］．ＩＥＥＥ－ＡＰＥＣＣｏｎｆ．Ｒｅｃ．［Ｃ］．１９９７：５２０～５２６．

［５］ＫｅｌｉａｎｇＺｈｏｕ，ＤａｎｗｅｉＷａｎｇ．ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐＢｅｔｗｅｅｎＳｐａｃｅ－

ＶｅｃｔｏｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄＴｈｒｅｅ－ＰｈａｓｅＣａｒｒｉｅｒ－ＢａｓｅｄＰＷＭ：ＡＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＡｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００２，４９（１）１８６～１９６．

ｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ

论