0 引言
    在電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用到了PWM技術(shù)。PWM控制利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把整流后的直流電變成脈沖序列，通過控制脈沖寬度和脈沖列的周期以實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制，同時(shí)減少輸出電壓電流諧波。早期的SPWM控制主要著眼于使逆變器輸出電壓波形盡量接近于正弦波，希望輸出PWM電壓波形的基波成分盡量的大，諧波成分盡量的小，并沒有考慮到電動(dòng)機(jī)本身旋轉(zhuǎn)磁場的影響。空間電壓矢量PWM技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題，它將逆變器和交流電機(jī)作為一個(gè)整體來考慮，其控制目標(biāo)是使磁通軌跡近似為圓，也被稱為磁鏈跟蹤PWM控制。本文在分析空間電壓矢量PWM原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于16位PIC24FJ64GA單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SVPWM控制的方法。

1 空間電壓矢量PWM控制原理
    空間電壓矢量PWM控制是以三相對(duì)稱正弦波電壓供電狀態(tài)下交流電機(jī)的理想磁通圓為基準(zhǔn)，利用逆變器各橋臂開關(guān)控制信號(hào)的不同組合，使逆變器的輸出工作電壓矢量作用形成的實(shí)際磁通運(yùn)行軌跡逼近基準(zhǔn)圓磁通運(yùn)行軌跡。
    定義基本定子電壓矢量為：
   
    式中，ua、ub和uc分別為三相定子繞組相電壓。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，典型的三相電壓型逆變電路示意圖如圖1所示。Udc表示直流側(cè)電壓，電機(jī)定子側(cè)相電壓由三個(gè)功率器件SA、SB和SC的開關(guān)狀態(tài)決定，SA、SB和SC分別表示同一橋臂下兩個(gè)功率器件的開關(guān)狀態(tài)。若SA為1，表示上橋臂接通，下橋臂斷開，ua連接Udc；反之SA為0，表示下橋臂接通，上橋臂斷開，ua連接0。同理可得開關(guān)SA的狀態(tài)與ub的關(guān)系，開關(guān)SC的狀態(tài)與uc的關(guān)系。

    根據(jù)所得功率器件SA、SB和SC開關(guān)狀態(tài)的8種組合，可以構(gòu)成8種空間電壓矢量，如圖2所示。對(duì)外部負(fù)載而言，包括6個(gè)非零矢量V1(100)、V2(010)、V3(110)、V4(001)、V5(101)、V6(011)，和2個(gè)零電壓矢量V0(000)、V7(111)的輸出電壓為零。六個(gè)非零電壓矢量在空間上相互間隔。
    定子繞組Y型連接的電機(jī)三相輸入電壓為：
   
    根據(jù)三相系統(tǒng)向兩相系統(tǒng)變換保持幅值不變的原則，三相電壓的合成空間矢量在α、β坐標(biāo)系中可表示為：
   
    式中，Uα、Uβ為空間電壓矢量在定子靜止αβ軸上的分量。
1．1 空間電壓矢量的合成
    根據(jù)矢量合成的平行四邊形法則和PWM等效面積原理，利用上述8種矢量可以合成任意角度有限模長的輸出電壓矢量，其最大模長決定了輸出電壓的最大幅度，如圖3所示。

    圖中θ為Uref與空間電壓矢量Uθ之間的夾角，Uref落在矢量Uα和Uβ之間，為兩者合成后的輸出電壓矢量，
   
    式中，Ts為采樣周期，t1、t2分別為電壓矢量Uα，Uβ的作用時(shí)間。
    根據(jù)三角正弦定理有：
   
    6種空間電壓矢量幅值相等，且等于2Udc／3，由式(5)和(6)可得：
   
    在一個(gè)PWM周期Ts內(nèi)都改變相鄰基本矢量的作用時(shí)間，并保證所合成的電壓空間矢量的幅值都相等，因此當(dāng)Ts取足夠小時(shí)，電壓矢量的軌跡是一個(gè)近似圓形的正多邊形。為了使每次的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，開關(guān)次數(shù)最少，需要在t0=Ts-t1-t2。為了使磁鏈的運(yùn)動(dòng)速度平滑，插入零矢量不是集中地插入，而是將零矢量平均分為幾份，多點(diǎn)地插入到磁鏈軌跡中去。
1．2 確定扇區(qū)
    將圖2劃分為6個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)的編號(hào)在圖中標(biāo)識(shí)，下面介紹一下確定扇區(qū)號(hào)的方法，令、 、分別為：
   
    定義三個(gè)變量：m、n和p，如X>0，則m=1，否則m=0；y>0，則n=1，否則n=0：Z>0，則p=1，否則p=0。設(shè)扇區(qū)編號(hào)N=4p+2n+m，N與輸出電壓矢量所在的扇區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，

2 基于PIC單片機(jī)的SVPWM實(shí)現(xiàn)
    空間電壓矢量PWM控制采用Microchip公司出品的PIC24FJ64GA芯片實(shí)現(xiàn)，它是在現(xiàn)有的RISC單片機(jī)系列構(gòu)架的基礎(chǔ)上發(fā)展來的一種功能強(qiáng)大的架構(gòu)。通過向用戶提供更強(qiáng)的計(jì)算功能和更豐富的外設(shè)集，此架構(gòu)使用戶能夠升級(jí)他們的應(yīng)用。與此同時(shí)，此架構(gòu)還被嚴(yán)格設(shè)計(jì)為與
現(xiàn)有的PIC MCU功能急和指令助記符盡可能一致，從而簡化了應(yīng)用的升級(jí)工作。
    PIC24FJ64GA004采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間以及獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)總線。架構(gòu)還允許在代碼執(zhí)行的過程中直接通過數(shù)據(jù)空間訪問程序空間。程序地址空間可存儲(chǔ)4M指令字。最高的運(yùn)行速度可達(dá)到16MIPS，帶有4×PLL選項(xiàng)的8MHz內(nèi)部振蕩器和多個(gè)分頻選項(xiàng)，17位×17位單周期硬件乘法器，32位／16位工作寄存器，還具有優(yōu)化的C編譯器指令構(gòu)架，并且PIC24FJ64GA004還具有一系列能在工作時(shí)顯著降低功耗的功能，主要包括：動(dòng)態(tài)時(shí)鐘切換，打盹模式操作，基于指令的節(jié)能模式。在模擬特性方面，它最多13通道的10位模DAC，用于電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋，電壓、電流等模擬信號(hào)的采用實(shí)現(xiàn)電機(jī)的各種控制，并且還具有故障保護(hù)時(shí)鐘監(jiān)視器操作功能，可以很好對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。
2．1 硬件電路框圖
    PIC24FJ64GA具有5個(gè)帶編程預(yù)分頻器的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，5個(gè)16位輸入捕捉，5個(gè)16位比較／PWM輸出。在測速環(huán)節(jié)方面，本文采用光電碼盤測算方式，結(jié)合PIC24F單片機(jī)的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器及相關(guān)接口，使用M／T法編程實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的計(jì)算。歐姆龍公司生產(chǎn)的編碼器型號(hào)E6B2-CWZ6C，它由5～24V電源供電，有三路輸出，分別為A相、B相、Z相，其中A與B用于測速，它們的相位差為90°,每轉(zhuǎn)過一圈輸出1500個(gè)脈沖；而Z脈沖則是每轉(zhuǎn)過一圈輸出一個(gè)脈沖，用于系統(tǒng)定位。其中在電路設(shè)計(jì)中，逆變器的驅(qū)動(dòng)，我們采用IR2130集成芯片，該芯片驅(qū)動(dòng)的逆變器具有結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，可靠地實(shí)現(xiàn)過流和短路保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2．2 SVPWM算法軟件編程的實(shí)現(xiàn)
    圖5初始化流程圖 圖6 SVPWM中斷子程序SVPWM算法可通過對(duì)PIC軟件的編程來實(shí)現(xiàn)，程序編寫主要包括主程序和SVPWM中斷子程序。主程序主要完成對(duì)PIC24FJ64GA系統(tǒng)初始化，配置片上外圍資源等功能。中斷子程序主要完成輸出所需的PWM波形的功能。具體的流程圖如圖5和圖6所示。

3 結(jié)果分析
    控制芯片采用16位單片機(jī)PIC24FJ64GA，在交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中編寫空間電壓PWM算法下載到控制芯片中。仿真實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)為：額定功率為6kW，額定電壓為310V，極對(duì)數(shù)為2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0．0085，額定轉(zhuǎn)速為3600r／min。仿真實(shí)驗(yàn)輸出的相電流和線電壓波形如圖7和圖8所示。

    從圖中7和圖8可見，采用SVPWM算法，電流正弦度較好，定子輸出電壓電流諧波小，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效件。

4 結(jié)論
    空間電壓矢量PWM控制具有直流母線側(cè)電壓利用率高、開關(guān)器件損耗小、便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中。本文采用PIC單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)SVPWM算法在交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有成本低廉、電路設(shè)計(jì)簡單、電流諧波分量少等特點(diǎn)，在一些控制精度要求不高，如電爐爐溫調(diào)節(jié)、水位調(diào)節(jié)、風(fēng)力調(diào)節(jié)等場合具有一定的應(yīng)用空間。