基于三相桥式逆变器的DPWM调制算法测试研究

栗伟周 朱政通 梁满营 张瑞杰

（1.许昌学院工程技术中心，河南许昌461000；2.许昌智能继电器股份有限公司，河南许昌461000）

0 引言

随着科技的发展，电力电子变换装置的良好表现使得其在交流传动系统、微电源并网系统、DC-DC变换系统等领域得到不断推广和应用。进一步的研究主要集中在如何降低开关损耗、提升变换效率等方面。不连续脉宽调制技术（discontinuous pulse width modulation，DPWM）能够实现开关管在一个电压基波周期内的一定区间不动作，从而通过降低开关损耗来提高变换效率，DPWM调制策略在三相桥式逆变器中的应用十分广泛[1-2]。

目前国内很多文献针对三相桥式逆变器的控制进行了深入研究，但试验对比数据不是很全面，离产品化和实用化还存在一定距离，本文以三相桥式逆变器驱动永磁同步电机为对象，对DPWM调制算法进行测试，并与空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation，SVPWM）进行对比分析[3]。

1 SVPWM与DPWM

在交流传动系统和逆变系统中，三相桥式逆变器应用越来越广泛，其控制算法也在逐步完善。目前主流的三相逆变器调制算法以SVPWM调制为主，衍生的有不连续脉宽调制技术、过调制SVPWM技术、共模电压抑制SVPWM、人工神经元SVPWM技术等。

1.1 SVPWM原理

SVPWM是近年推广应用的一种较新颖的调制方式，是将逆变器和控制对象作为一个整体，由三相功率逆变器的6个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，按照跟踪圆形旋转磁场来控制PWM电压，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形，该调制方式算法简单，电压损耗较小，但在电机转速较高时，该调制方式效率提升受限。

1.2 DPWM原理及特征

DPWM是一种开关损耗最小的空间电压矢量PWM技术，该调制方式在三个相邻矢量所夹扇区固定选用一个适当的零矢量就可使每一组在一个周期内有120°的扇区内不开关，对大功率逆变器而言可以在提高开关频率的基础上，改善波形质量，降低开关损耗。DPWM调制方式根据零矢量的不同取值可分为DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3、DPWMMIN、DPWMMAX 6种[4]。

图1为不同PWM调制实现原理图，在相电压中注入提取出来的零序分量后可以得到不同的PWM调制方法，三相参考电压标幺值U**a,b,c，记为：

图1 不同PWM调制实现原理

2 基于三相桥式逆变的调速控制系统

永磁同步调速控制器系统主要由主电路、检测调理电路及运算电路三部分组成。其中，主电路包括电源模块、逆变器电路、永磁同步电机等，检测调理电路包括各部分电压、电流、转速等信号的检测与调理，运算电路为以DSP为核心的主控电路。永磁同步电机控制系统电路结构图如图2所示。

图2 永磁同步电机控制系统电路结构图

从图2可以看出，主电路中通过逆变器将电源的直流电转化为三相交流电，为交流永磁同步电机供电，电机旋转时对旋转编码器的输出脉冲进行调理可获知电机状态。检测调理电路部分，永磁同步电机的相电流通过电流传感器获知，进而对所获取的电流型号进行调理，最后将状态输入DSP，保护电路中的过流、过压检测也属于检测调理电路。运算电路以DSP主控芯片和外围电路为核心，通过算法实现信号的接收和发送，最终将PWM信号输出给逆变器，实现对电机的控制，同时，DSP通过RS232实现与上位机通信，通过数据输出可便于观测波形。

3 实验数据对比及分析

实验测试的直流侧电压为384 V，冷却液温度25℃，流量15 L/min。采用英飞凌1782IPM模块，采用的电机最高额定功率37 kW，额定转速为2 800 r/min，最高转速10 000 r/min。

3.1 调制电流实验波形

测试的两个工况点分别为1 000 r/min、340 A和6 000 r/min、340 A。DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3、DPWMMIN、DPWMMAX和SVPWM调制模式下1 000 r/min与6 000 r/min电流波形如图3～图16所示。

图3 DPWM0调制方式1 000 r/min电流波形

图5 DPWM1调制方式1 000 r/min电流波形

图6 DPWM1调制方式6 000 r/min电流波形

图7 DPWM2调制方式1 000 r/min电流波形

图8 DPWM2调制方式6 000 r/min电流波形

图9 DPWM3调制方式1 000 r/min电流波形

图10 DPWM3调制方式6 000 r/min电流波形

图11 DPWMMIN调制方式1 000 r/min电流波形

图12 DPWMMIN调制方式6 000 r/min电流波形

从图3～图16的实验数据对比可以看出，DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3调制方式在1 000 r/min工况下电流波形畸变严重，DPWMMAX和DPWMMIN调制方式波形相对平缓，但两种策略由于一个桥臂的上下两个开关管的损耗不均匀较少采用，1 000 r/min工况下DPWM调制方式的调制波近似方波，与理想调制波相差较大，导致电流波形发生畸变，即调制比低时DPWM调制策略电流波形电流畸变严重，控制器无法正常运行。当转速较高时（测试6 000 r/min），DPWM调制策略电流波形较为平滑，为理想调制波形。

图13 DPWMMAX模式1 000 r/min电流波形

图14 DPWMMAX模式6 000 r/min电流波形

图15 SVPWM调制方式1 000 r/min电流波形

图16 SVPWM调制方式6 000 r/min电流波形

3.2 DPWM调制效率对比

不同转速下的DPWM和SVPWM控制器效率曲线对比图如图17所示。

由图17可以看出，在电机转速大于6000r/min后的不同转速下，DPWMMAX调制模式下的控制器效率最高，SVPWM调制模式下效率最低。在转速8 000 r/min为“分水岭”，8 000 r/min以下时随着转速的升高，控制器效率曲线逐渐升高，大于8 000 r/min后基本平滑，DPWM1模式和DPWM2模式下效率下滑稍微明显，SVPWM模式下为平滑上升。

图17 DPWM和SVPWM控制器效率曲线对比图

4 结语

本文在SVPWM的原理基础上，详细介绍了空间矢量DPWM算法在不同模式下的测试情况，并且对几种DPWM算法和SVPWM算法及其特征进行了深入的分析，最后对比得出了在电机转速较高时DPWM方法在控制器效率方面高于SVPWM算法（DPWMMAX调制方式效率最高），但电机转速较低时电流波形畸变严重的结论，为下一步算法优化奠定了基础。