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永磁同步电机的矢量控制策略（七）一一一SVPWM控制

时间：2021-08-07 16:29:10

7.永磁同步电机的矢量控制策略（七）

永磁同步电机的矢量控制策略

7.永磁同步电机的矢量控制策略（七）7.1SVPWM的简单介绍SVPWM的基本原理SVPWM的法则推导7.2SVPWM的实现流程7.2.1扇区N的判断7.2.2基本矢量作用时间计算与三相PWM波形的合成7.2.3计数值的计算参考文献

SVPWM是现代交流电机控制最常用的一种逆变方式，其更加方便于数字化的实现，而对于SPWM则更加方便于硬件方面的实现，因此，我觉得SVPWM的更加广泛应用还有一段时间，以便其改进到软硬都适用的地步。参考大部分教材或者文献资料，讲到SVPWM则是直接给出一大堆公式，以及空间矢量合成、扇区划分、切换时间计算等细节里面去，从而导致很多人对于SVPWM到底是什么不知其所以然，为此本博客将结合上述的缺点来进行讲解SVPWM。

因为在前面讲到电机控制的本质就是控制输出转矩，然而转矩的产生原理“电机工作原理”，对于永磁同步电机而言，其实可以等效为两块磁铁（同向相吸，异向相斥），一块是转子永磁铁（一般是汝铁硼材料，磁性较强且方向不变的），另外一块就是通过向定子绕组注入三相电流，从而得到可控的一块磁铁。

要是想要得到旋转电机的输出转矩，那么必须得到一个旋转的磁场。旋转的磁场可由旋转的相电流矢量/相电压矢量来进行控制得到。比如合成的基本矢量幅值大小，相电流的频率等等可以对电机的输出进行控制。三相正弦空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）与方波控制不同，SVPWM是完全把三相绕组都利用起来了，而方波是两两导通的控制方式仅仅利用了其中的两相绕组。

如图1所示，可以通过互差120度，大小随着时间按正弦规律变化的3个分矢量来合成一个大小不变旋转的总矢量。

图1 空间矢量脉宽调制技术的输出

解释点1 圆形磁链及圆形电压

电机之所以能够旋转，是因为定子、转子两个磁场相互作用，当个磁场都在连续旋转时，就产生了一个固定的旋转力矩。要产生旋转的磁场，就要有“旋转”的电流；要产生“旋转”的电流，就要有“旋转”的电压；同时旋转的磁场还会产生“旋转”的磁链。电压、电流以及磁链都是旋转的矢量，其转速完全一致，相位不同。如下式子所示：

电路的外电压等于电阻损失电压与线圈感应电压之和，写成数学形式为：

在大多数情况下，电阻上产生的电压损失远小于感应电压，为控制模型简单可暂时忽略电阻上所产生的压降，因此可将上式简化为：

进一步，将上式等式两边同时进行积分运算，则有如下：

因此，可以通过控制电压来控制定子磁链（定子绕组），进而控制电机的输出转矩。

这也是为什么在大部分教材或者文献资料中所参考看到都是以电压矢量为基础进行SVPWM的实现。

解释点2 滞环比较、SPWM和SVPWM三者之间的区别？

从控制目标来看有：

电流滞环跟踪的控制目标：使变压变频器的输出电流尽量接近正弦波。

SPWM的控制目标：使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波

SVPWM的控制目标：在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。（磁链跟踪控制）

从实现的原理来看：

前两种主要是通过比较所得，比如针对SPWM控制，在一个周期内想要得到1.5的电压量，则之间满电压15V供电下给定10%的占空比输出就可以，而这可以通过与载波比较进行输出一系列的比较脉冲信号。最后SVPWM的实现则是直接从电机转矩产生的原理，直接控制磁场的产生，近似圆形磁链的控制，主要是通过基本矢量合成所得。

解释点3 SVPWM的物理含义

SVPWM实质是一种对在三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种变形SPWM。但SVPWM的调制过程是空间中实现的，而SPWM是在ABC坐标系下分相实现的；SPWM的相电压调制波是正弦波，而SVPWM没有明确的相电压调制波，是隐含的。为了揭示SVPWM与SPWM的内在联系，需求出SVPWM在ABC坐标系上的等效调制波方程，也就是将SVPWM的隐含调制波显化。

因此，从相电压来看，输出的是不规则的分段函数，为马鞍波形。从线电压来看其输出的则是正弦波形。

7.1SVPWM的简单介绍

SVPWM的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。

SVPWM的基本原理

SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。逆变电路如图2示。

图2 PWM控制驱动电路的拓扑结构

然而对于逆变器有六种不同的组合方式，下面以其中一种开关组合为例分析，假设则有如下图：

图3 给出八个基本电压空间矢量的大小和位置

由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹将是如图3所示。所以要产生三相正弦波电压，可以利用以上电压向量合成的技术，在电压空间向量上，将设定的电压向量由U4（100）位置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可以用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此所得到的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。

SVPWM的法则推导

计算每个扇区所基本矢量产生的时间

得到以U4、U6、U，及Uo合成的Uref的时间后，接下来就是如何产生实际的脉宽调制波形。在SVPWM调制方案中，零矢量的选择是最具灵活性的，适当选择零矢量，可最大限度地减少开关次数，尽可能避免在负载电流较大的时刻的开关动作，最大限度地减少开关损耗。

一个开关周期中空间矢量按分时方式发生作用，在时间上构成一个空间矢量的序列，空间矢量的序列组织方式有多种，按照空间失量的对称性分类，可分为两相开关换流与三相开关换流。一般的有七段式和五段式开关切换选择。

7.2SVPWM的实现流程

电压矢量调制的控制指令是矢量控制系统给出的矢量信号Uref）它以某一角频率0在空间逆时针旋转，当旋转到失量图的某个60°扇区中时，系统计算该区间所需的基本电压空间矢量，并以此失量所对应的状态去驱动功率开关元件动作。当控制失量在空间旋转360°后，逆变器就能输出一个周期的正弦波电压。其SVPWM的实现流程框图如下所示。