基于LabVIEW的SVPWM信号发生器设计

仲兆准，钟胜奎，沈 峰，张运诗，谢光伟

(1．苏州大学沙钢钢铁学院，江苏苏州 215021；2．苏州大学机电工程学院，江苏苏州 215021)

0 引言

虚拟仪器的概念是美国国家仪器公司NI于1986年提出的，它是指利用高效灵活的软件将计算机与各种功能的外部硬件相连接，在计算机上通过事先编写好的软件界面，选择合适的参数、合适的量程、合适的功能等来控制外部硬件，就像在自己设计仪器一样，以此来完成各种测控工作[1-2]。虚拟仪器是未来仪器的发展方向。LabVIEW是一种图形化的编程语言，称为G语言[3]。将LabVIEW用于编写控制三相异步电机的SVPWM控制信号程序，用软件的信号发生器来代替传统的信号发生器，以此来简化控制系统的硬件电路，提高测控系统的开发效率[4]。

1 矢量控制技术及数学模型

矢量控制也叫磁场定向控制。这种策略将交流电机定子电流矢量换算为励磁分量和转矩分量，即解耦的过程，使得两者可以分别独立控制，这样控制交流电机从原理上就与控制直流电机相似，从很大程度上降低了系统的控制难度并使控制效果大大提高[5-6]。在正弦稳态情况下，电磁转矩表达式为：

(1)

式中：p0是电机极对数；Lm是励磁电感；Lr是转子电感；Ψr是转子磁链；ISM是用来产生转子磁场的定子电流励磁分量；IST是定子电流转矩分量；Ψr=LmISM．

只要控制Ψr恒定，也就是保持定子电流励磁分量ISM恒定，就改变了三相电机固有的非线性的机械特性，将三相感应电机等效成了他励直流电机，获得了与直流电机一样的线性机械特性。采用空间矢量在动态情况下也能时刻将is分解成控制转子磁场的分量iM及平衡转子电流的转矩分量iT．

实现这一解耦的过程，就是要将原本在空间上有120°相位差的3个定子电流通过坐标变换到空间上相互垂直同步旋转MT轴系下的2个电流分量，其矩阵式如下：

(2)

(3)

变换后在调速过程中只要维持励磁分量不变，也就是使磁链Ψr、磁通φr不变，只要控制转矩电流分量iT就能直接控制电磁转矩Te．因此，坐标变换使得解耦后的交流异步电机控制与直流电机控制原理相同。

在MT轴系下的三相异步电机的磁链、电压、转矩方程分别为：

(4)

(5)

(6)

Te=-pLm(iTim-iMit)

(7)

式中：iM、iT、im、it分别为定、转子绕组相电流的瞬时值；ωS为转子磁链矢量Ψr的电角速度；ωf为Ψr相对于转子的转差角速度。

2 SVPWM原理

SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)即空间电压矢量脉宽调制，是以一定的开关方式来控制三相逆变电路的6个开关，使之产生接近于理想正弦波形的脉宽调制波。三相电压空间矢量的合成空间矢量可表示为：

(8)

由式(8)可知空间矢量U(t)是一个以角频率ω=2πf逆时针匀速旋转的空间矢量，且它的幅值是相电压有效值的1．5倍。

如何将空间矢量U(t)表示出来，就要用到平均值等效原理。首先介绍一下三相逆变电路中的6个开关的8种组合状态，三相逆变电路图如图1所示。现定义开关状态函数Ux(Va，Vb，Vc)，Va、Vb、Vc分别表示A相、B相、C相上臂桥开关的状态，也就是V1、V3、V5的开关状态，断开为0，闭合为1，例如有一个状态函数U1(0，0，1)，则说明U1开关状态是V4，V6，V5导通，由于上下臂桥通断互补，则V1、V3、V2断开，此时等效电路如图2所示。根据公式：

图1 三相逆变电路

图2 U2状态的等效电路

(9)

可得，UAN=2Ud/3，UBN=UCN=-Ud/3在空间坐标轴上合成空间矢量U1，其幅值等于Ud方向沿A轴方向。按照此规律可发现一共有8种开关状态，分别是：U0(0，0，0)、U1(0，0，1)、U2(0，1，0)、U3(0，1，1)、U4(1，0，0)、U5(1，0，1)、U6(1，1，0)、U7(1，1，1)。其中，由于U0是上面3个开关全部断开，U7是下面3个开关全部断开，它们此时三相输出电压为0，故称为零矢量。其余Ud～U6是非零矢量。每一个开关状态都在空间坐标系中表示出来可将坐标平面划分成6个扇区，如图3所示。

图3 电压空间矢量图

该理论基础是平均值等效原理，在一个开关周期内，任何时刻的电压矢量可以用逆变器的8个开关状态中相邻的2个非零矢量和1个零矢量组合表示，即：

Uref×Ts=Ux×Tx+Uy×Ty+U0×T0

(10)

式中：Ux、Uy为2个相邻的非零矢量的幅值；U0为零矢量的幅值；Ts为采样周期；Tx、Ty分别为2个非零矢量的作用时间；T0是零矢量的作用时间，这里包含了2个零矢量的作用时间；且Ts=Tx+Ty+T0。

分别控制3个矢量的作用时间来等效任意时刻的电压矢量，使电压空间矢量接近圆形轨迹旋转，用逆变器的不同开关状态组合产生的实际气隙轨迹来逼近理想圆形，并由两者的比较结果来决定开关状态，从而形成脉宽调制波形。

3 软件实现

文中的程序是用LabVIEW2010编写的，整个程序由扇区判断、脉冲宽度计算和死区时间的加入这几个部分组成。

3．1扇区判断模块

该模块是分析三相合成空间电压矢量某一采样时刻在空间坐标系中的位置，判断该矢量目前处于哪个扇区，程序中以子VI的形式来调用该模块。该子VI有输入和输出端各1个，程序使用LabVIEW中的公式节点结构，并配合类似C语言的if条件语句编写方式，来实现预想功能的。

3．2脉冲宽度计算模块

该模块是整个程序中最重要的一个部分，它的功能是用来实现计算每相一个采样周期内各个脉冲的宽度及两个脉冲之间的距离，在程序中也是用子VI的形式来调用的，该程序采用七段切换法来计算SVPWM波形。该子VI有4个输入端和3个输出端。分支选择端口接扇区判断子VI的输出端；a端口输入目前空间电压矢量在空间坐标系中的位置，即角位移；端口输入采样周期。3个输出端分别输出三相SVPWM波在瞬时一个采样周期内单相的脉冲宽度。其程序框图如图4所示。

该子VI采用LabVIEW中的条件结构，根据扇区的划分，一共有6个条件分支，分别表示合成电压矢量在不同扇区内的七段切换法的不同组合。通过公式节点计算出七段切换法中两个非零矢量和两个零矢量的作用时间，用数组函数工具-初始化数组赋予作用时间内电平的高低，用数组函数工具-插入数组组合生成半个采样周期的脉冲波形数据，再用数组函数工具-反转一维数组来得到另外半个周期的脉冲波形数据，以实现预期的功能。

3．3加入死区时间

由于最终要将生成的波形信号通给三相逆变电路控制上下3对共6个IGBT开关，若上下2个臂桥同时导通会造成短路，故上下臂桥的控制信号不是单单将上臂桥的信号取反就可以了，需要通过加入死区时间来防止上述情况。死区时间的设置与载波频率的大小，还与开关器件的制造工艺有关，这里在原本脉宽计算子VI的基础上添加了一个输入变量-死区时间。其程序框图如图5所示。

图4 脉宽计算子VI程序框图

图5 加入死区时间的脉宽计算子VI

为了保持原来脉冲的周期及对称性在每个采样周期里的单个脉冲的高电平持续时间上加上2个死区时间，低电平上减去2个死区时间，即七段切换法的零矢量U7的持续时间T7上加1个死区时间，在零矢量U0的持续时间T0上减去1个死区时间，以实现提前关断，延时导通防止短路的功能。

3．4运行结果

通过调用上面3个模块，SVPWM信号发生就可实现，在前面板上输入控制信号频率、采样频率及死区时间，运行程序，6路SVPWM信号就在前面板上显示出来了，如图6所示。

图6 前面板6路信号显示

3．5谐波分析

为了确定用LabVIEW编写的信号发生器生成谐波的大小及谐波生成过程中各参数所起的作用，文中用LabVIEW2010自带的频谱测量模块对其中一个通道的信号进行谐波分析。先分析不同控制信号频率对谐波的影响，设采样频率为1 000 Hz不变，将控制频率由10 Hz增加到60 Hz每次增加10 Hz，观察其频谱变化；再分析不同采样频率对谐波的影响，设控制频率为10 Hz不变，观察采样频率分别为500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz下的频谱。

最终得出如下结论：(1)随着控制频率的不断增加，谐波含量及皱波增加；(2)随着控制频率的不断增加，谐波含量及皱波增加；(3)各次谐波分量均存在于采样频率的整数倍处；(4)随着采样频率的增大，谐波幅值及皱波减少。

4 结束语

搭建硬件电路用生成的SVPWM波控制三相异步电机，实验表明用该方法来控制三相异步电机转速平稳、

精度高，故虚拟仪器技术与变频调速技术相结合是切实可行的，用LabVIEW编写SVPWM信号发生器程序，程序编写层次清晰，运行稳定可靠。可用数据采集卡将该程序生成的信号输出给三相异步电机控制系统，可缩短开发周期、降低系统开发成本、提高系统的灵活性，因此，虚拟仪器在测控领域有着广阔的发展空间。

参考文献：

[1]孟祥海，王金金，刘源，等．基于LabVIEW 的柴油机故障诊断虚拟仪器开发．仪表技术与传感器，2011(11)：40-42．

[2]张丙才，刘琳，高广峰，等．基于LabVIEW 的数据采集与信号处理．仪表技术与传感器，2007(12)：74-75．

[3]胡仁喜，高海宾．LabVIEW2010中文版虚拟仪器从入门到精通．北京：机械工业出版社，2011．

[4]向科峰．基于LabVIEW的数据采集系统若干问题研究：[学位论文]．四川绵阳：西南科技大学，2007．

[5]BROECK H，SKUDELNY HC，STANKE G V．Analysis and realization of A pulse width modulator based on voltage space vector．IEEE Trans．on Power Electronics，1988，24(1)：142-150．

[6]李华德．交流调速控制系统．北京：电子工业出版社，2007．

作者简介：仲兆准，讲师，博士，主要从事先进过程控制技术的研究。

E-mail：nustzzz@163．com

钟胜奎，教授，博士，主要从事冶金和电池的研究。

E-mail：zhongshengkui@suda．edu．cn