Z源逆变器空间矢量控制的DSP实现

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1引言

Z源逆变器[1]的提出克服了传统电压源和电流源

逆变器的不足,提供了一个新颖功率变换概念。Z源逆变器尤其适用于直流端电压波动较大的应用场合,如燃料电池[1],即直流电压一般在2∶1范围内波动;电网电压可能发生瞬时跌落的变频调速系统[2]等。空间矢量脉宽调制(SVPWM)

因其线性调制范围宽,输出谐波低等特性而在三相逆变器中得到了广泛应用。本文提出实现Z源逆变器SVPWM控制策略的方法。

2Z源逆变器的SVPWM控制

图1示出Z源逆变器的基本拓扑。Z源逆变器

的主桥臂可开路或短路运行,且具备直接升降压功能[1]。

当直流电源电压能满足

交流输出电压的大小

时,采

用传统的空间矢量PWM进

行控制即可。当直流侧电压太低,无法满足输出交流电压的大小时,可采用带直通零矢量[1]的SVPWM控制方法进行升压控制而满足交流输出的需要。

图2给出了采用带直通零矢量SVPWM控制时,直流侧两种基本工作状态的等效电路。在图2a的直通状态下,逆变桥上、下桥臂短路,该状态在传统电压

源型逆变器中是不允许的,而Z源逆变器正是通过这一直通短路状态将Z网络电容C1,C2上的电压uC1,uC2升高,从而为逆变器母线提供更高的直流电压。

图3a给出参考电压矢量Uref图。图3b给出位于图3a扇区I时带直通零矢量的空间矢量SVPWM控制周期Ts内各开关的工作情况。

由网络对称可得:UC1=UC2=UC,uL1=uL2=uL(1)

Z源逆变器空间矢量控制的DSP实现

顾斌,钱照明,房绪鹏,高奇

(浙江大学,浙江杭州310027)

摘要:分析了实现Z源逆变器[1]空间矢量控制方法的原理,给出了基于DSP的简易实现方法。实验结果验证了所提控制方法的有效性。

关键词:逆变器;脉宽调制;矢量控制/数字信号处理器中图分类号:TM464,TN86

文献标识码:A

文章编号:1000-100X(2005)06-0107-02

ImplementationofSVPWMforZ-sourceInverterbasedonDSP

GUBin,QIANZhao-ming,FANGXu-peng,GAOQi

(ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:ThispaperdescribestheprincipleofSpaceVectorPWMforZ-sourceinverteranditsDSPimplementation.Thevalidityofthismethodisverifiedbyexperimentalresults.

Keywords:

inverter;PWM;vectorcontrol/DSPFoundationProject:SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50377038)

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50377038)

定稿日期:2005-04-05作者简介:顾斌(1980-)

,男,江苏人,硕士研究生,研究方向为高压大功率变流技术。

图1Z源逆变器基本拓扑

图中L1=L2C1=C2

图2直流侧两种基本工作状态的等效电路

图3Uref及其Ts内各开关的工作情况

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当逆变桥工作在图2a的直通状态时,可得:

uL=UC,

ud=2UC,

ui=0

(2)

式中ui———逆变器的母线电压当逆变桥工作在图2b的非直通状态时,可得:uL=Uo-UC,ud=Uo,

ui=UC-uL=2UC-Uo

(3)

稳态时,由uL的平均值U为零可得:

UL=t0UC+(Ts-t0)(Uo-UC)Ts

=0(4)

UCUo=Ts-t0

Ts-2t0

(5)

由图2b和对应的式(3)

可得,非直通状态时可得:

ui=UC-uL=2UC-Uo=TsTs-2t0

Uo=BUo

(6)

式中B=TsTs-2t0

≥1

假设图3a中Uref的长度为m*(0<m*≤23

#),可得逆变器的输出线电压uac有效值为:

Uac=1

#3#2m*ui=6#4m*BUo

(7)

设Uszi(i=a,b,c)为直通零矢量,则图3a中:Uref=T1TsU1+T2TsU2+T0TsU0+T7TsU7+2×t0

6Ts

i=a

$U

szi

(8)

式中T1+T2+T0+T7+t0=Ts

设传统非直通零矢量U0,U7和Uszi对Uref均不产生影响,可得:T0TsU0+T7TsU7

+2×t0

6Tsc

i=a

$Uszi=0(9)有:Uref=T1TsU1+T2Ts

U2(10)

解得:T1Ts=3#2

m*sinπ3-%&

θ(11)

T2Ts=3#2

m*sinθ(12)当Uref在时区Ⅰ,带Uszi空间矢量PWM在线性调制区的边界条件为[2]:T1+T2+t0=Ts,T0=T7=0(13)

由式(8)~(13)

可得:m*

(Ts-t0)/Ts

2/3#cosπ6

-%&

θ≤23#(14)

同时为保证uac为正弦,

参考矢量的轨迹应当为一个圆,故有:m*≤23#Ts-t0Ts=13

#1+BB(15)

由式(10)~式(12)和m*,B的制约关系式(15),就可利用DSP实现带Uszi的Z源逆变器的空间矢量

PWM控制。当Uref位于其余5个扇区时,

除了作用的有效矢量不同外,其它与扇区I类似。

3DSP的实现

图4给出采用DSP的事件管理模块产生Z源逆

变器控制信号的方法。该方法采用连续增减模式,利用下溢中断和周期中断在比较寄存器CMPx(x=1,2,

3)

中装载入t1和t2,由波形发生器生成一个不对称波形,再利用死区定时器DBTCONA将该不对称波形转化为带有开路死区的两路信号,最后利用比较方式控制寄存器AC-TRA,将上述两路信号取反,便得

到所需带直通死区的

Z源逆变器的PWM控制信号。

4实验结果

针对上述分析进行实验。这里采用TI公司的

TMS320LF2407A型DSP,带三相L,R串联负载,

取直流电压Uo=150V,m*=0.92,B=1.56,且满足关系式(15),输出频率fo=40Hz的交流电压,开关频率fc=10kHz。图5示出同一桥臂上、下开关的驱动电压uPWM1,uPWM4和三相L,R串联负载R上的线电压uac实验波形。

5结论

Z源逆变器的提出克服了传统电压型逆变器和

电流型逆变器的一些固有不足。本文分析了实现带有直通零矢量Z源逆变器空间矢量控制方法的原理;给出利用DSP的自行生成开路死区功能,经过取反得到带有直通零矢量Z源逆变器空间矢量控制的DSP控制。该方法简单易行,实验结果证明了该方法的有效性。参考文献

[1]FZPeng.Z-SourceInverter[J].IEEETrans.onIndus.Appl.2003,39(2):504~510.

[2]

FangZPeng,XiaomingYuan,XupengFang,etal.Z-SurceInverterforAdjustableSpeedDrives[J].IEEEPowerElec-tronicsLetters,2003,1(2):33~35.

[3]杨贵杰,

孙力,崔乃政,等.空间矢量脉宽调制方法的研究[J].中国电机工程学报,2001,21(5):79~83.

[4]林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州:

浙江大学出版社,2002.

图4基于DSP的Z源逆变器控制信号生成图5实验波形

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