电压空间矢量
空间电压矢量调制SVPWM 技术原理中文讲解(让初学者快速了解SVPWM控制方式)
或者等效成下式：
（2-31）
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浙江海得新能源有限公司
Uref *T Ux *Tx Uy *Ty U0 *T0（2-32）
其中，Uref 为期望电压矢量；T 为采样周期；Tx、Ty、T0 分别 为对应两个非零电压矢量 Ux、Uy 和零电压矢量 U 0 在一个采样周 期内的作用时间；其中 U0 包括了 U0 和 U7 两个零矢量。式（2-32） 的意义是，矢量 Uref 在 T 时间内所产生的积分效果值和 Ux、Uy、 U 0 分别在时间 Tx、Ty、T0 内产生的积分效果相加总和值相同。
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U0(000)、U7(111)，下面以其中一 种开关 组 合为 例分 析，假设 Sx ( x= a、b、c)= (100)， 此 时
UUaaNb UUbdNc,UbUcdc,0U,UaNca UcNUdcUdc UaNUbNUcN 0
（2-30）
求解上述方程可得：Uan=2Ud /3、UbN=-U d/3、UcN=-Ud /3。同理可
1 空间电压矢量调制 SVPWM 技术 SVPWM 是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率
逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波， 能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量 PWM 与传统的正弦 PWM 不同，它是从三相输出电压的整体效果出发， 着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。 SVPWM 技术与 SPWM 相比 较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场 更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于 实现数字化。下面将对该算法进行详细分析阐述。
1.1 SVPWM 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
空间矢量算法计算
啊一直以来对SVPWM原理和实现方法困惑颇多，无奈现有资料或是模糊不清，或是错误百出。
经查阅众多书籍论文，长期积累总结，去伪存真，总算对其略窥门径。
未敢私藏，故公之于众。
其中难免有误，请大家指正，谢谢！此文的讲解是非常清楚，但是还是存在一些错误，本人做了一些修正，为了更好的理解整个推导过程，对部分过程进行分解，并加入加入7段和5段时调制区别。
1 空间电压矢量调制SVPWM 技术SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。
空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。
SVPWM技术与SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。
下面将对该算法进行详细分析阐述。
1.1 SVPWM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2-8 示。
设直流母线侧电压为Udc，逆变器输出的三相相电压为UA、UB、UC，其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量UA(t)、UB(t)、UC(t)，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差120°。
《空间电压矢量》课件
详细描述
无刷直流电机具有高效率、长寿命和低维护 的特点，通过空间电压矢量控制，可以更精 确地调节其速度和转矩，从而实现高精度的 速度和位置控制。这种方法特别适用于需要 高动态性能的应用，如电动车辆和无人机等 。
05 空间电压矢量在电力电子 系统中的应用
不间断电源系统
不间断电源系统的组成
不间断电源系统主要由整流器、逆变器和蓄 电池组成。整流器将交流电转换为直流电， 逆变器将直流电转换为交流电，蓄电池则作 为备用电源。
规范技术的研发和应用。
03
拓展应用领域
未来可以进一步拓展空间电压矢量的应用领域，如电动汽车充电、分布
式发电系统等，发挥其在节能减排、提高能源利用效率等方面的优势。
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感谢您的观看
空间电压矢量
目 录
• 空间电压矢量概述 • 空间电压矢量的基本原理 • 空间电压矢量控制策略 • 空间电压矢量在电机控制中的应用 • 空间电压矢量在电力电子系统中的应用 • 空间电压矢量的研究现状与展望
01 空间电压矢量概述
定义与特点
定义
空间电压矢量是一种用于描述三相电压的数学方法，通过将三相电压表示为一 个二维或三维矢量图中的矢量，可以方便地分析三相电压的幅值、相位和波形 。
电机控制
空间电压矢量在电机控制领域应用广泛，如交流异步电机、永磁同 步电机等，可以实现高精度的转矩控制和速度控制。
空间电压矢量的优势与局限性
优势
空间电压矢量具有直观、精确、 易于实现等优点，能够广泛应用 于电力系统的分析、控制和优化 。
局限性
空间电压矢量需要精确测量三相 电压，对传感器精度要求较高， 且在某些情况下可能存在计算复 杂度较高的问题。
弱磁控制与空间电压矢量调制及相关实验研究
异步电机弱磁控制方案研究众所周知，在整个电机的运行区间，按照速度可以划分为两个区间，一个是 基速以下区域，一个是基速以上区域。
当电机运行在基速以下区间时， 稳态时整 个电机磁场保持不变，由转矩公式 T e p n L mi sq rd 可以看出，在这个区间，输出L r转矩是保持不变的，所以该区间又称为恒转矩调速区。
当电机要求运行在基速以 上时，由于直流母线电压的限制和反电动势的影响， 就需要转子磁场随着转速的 上升而下降，即所谓的弱磁运行。
一、弱磁运行的电压和电流限制条件在研究电机的稳态方程时，必须要考虑到两个限制条件，一个是逆变器的母线电压，由于母线电压一般是将工业用电经整流得到，所以，其大小是相对固定的，而电机所能用到的电压是与 PW 碉制策略相关的，本文使用的是基于空间电电机和逆变器的额定电流I smax 的限制。
由上所述，调速系统的限制条件可表示 为:e 2e :V qs V ds.e 2 . e 2 i qsi ds2 2V s max| 2smaxV dc,・ 3弱磁区电机稳态方程为：e V qs Rsi ； e L s i dse VdsRJ ds■ ' i ee L s i qs其中：L sL 2L s L smL r高速运行时，定子电阻的压降可以忽略不计，此时，稳态方程为:ee L s i ds由此，电流限制条件改写为:压矢量的PWM B 制，因此可利用的电压最大为 '-e L S i qsVmax另一个限制条件是 e Vqse在d-q 坐标系中，电流限制公式为一个椭圆，电压限制公式为一个圆 为了方便起见，用|U sd|代替U sd ，这样用四分之一圆表示整个运行范围，如 下图所示:图中电压限制曲线和电流限制曲线的公共部分即是电压矢量的 d 轴分量和q轴分量的可运行区域（图中所示的阴影部分）。
图中所示的三条椭圆形曲线是以压以保证有足够的电流产生。
由上式表明：最大F 值的点就是最大转矩点，由此可以找到最大转矩的运行区域重写电压限制条件:vdse 增加的方向向外展开，即,随着同步频率的增加, 需要逆变器提供更多的电电机转矩方程为:T e23£L mi ：s 2 2 L r・ei qs电流i ds i ；s 可以用v ds V ；s 代替，写成:T e ke eV ds V qs其中：k 3卫2 2 L r L s LL ；— ' 2 s eeV qse L se 2 e 22e图 弱磁运行时电压和电流限制曲线，弱磁区域划分及各区间分析图弱磁区域的划分（1）基速一下区（e base ）:电机在基速以下运行时，所需电压矢量V；ds 的幅值是不大于V smax的，因此有能力保证i qs、i ds达到其额定值，并获得最大转矩。
电压空间矢量调制
所示。
-
在正常情况下，以图中o点为变换器零电位参考点，则三电平电路的 一个桥臂只有UDC/2,0和-UDC/2三种可能输出电压值(或称为电平)，即 每相输出分别有正P、零0、负n三个开关状态。电位参考点，此时每 相桥臂的可能输出电平值表示为U- DC/2,0和-UDC/2，对应的每相输出表
电压空间矢量调制推导过程
电压空间矢量调制
-
电压空间矢量调制推导过程
多电平变换器空间矢量PWM控制由三电平变换器空间矢量PWM控制发展而来，因此 首先介绍三电平空间矢量PWM控制方法。
以交流电机为负载的三相对称系统，当在电机上加三相正弦电压时，电机气隙磁通在。 α-β静止坐标平面上的运动轨迹为圆形。设三相正弦电压瞬时值表达式为
且u s 有 3 2 u a N u bN u cN 2 3 2 u a o u bo u c2 o u s js u
u aN u ao u No
u
bN
ubo
u No
u
bN
u b-o
u No
电压空间矢量调制推导过程
理想的三电平变换器电路的开关模型如图所示，每相桥臂的电路结 构可以简化为一个与直流侧相通的单刀三掷开关S
定义开关变量Sa、Sb、Sc代表各相桥臂的输出状态，则各相电压表示 为
uaU 2 dc Sa,ubU 2 dc Sb,ucU 2 dc Sc
其中
SX为1即第X相输出电平P NhomakorabeaSX为0即第X相输出电平0
电机空间电压矢量控制的研究
ｒ爆＇机 抒龟 曩ｌ ‘ 艺
电机 空 问 电压矢 量控 制 的研 究
李
摘
涛。 程小华
华南理工 大学 电力学院 ， 东广 州（ １ ６ ０ 广 ５０ ４ ）
的控制思想 ， 尤其值得关注的是 Ａ Ｂ公司生产的 Ｂ 高性能产品所采用的控制方式基本上都是矢量控 制 。国内学术 界在变频调 速系统 的研 究方 面 已经
做了很 多相应 的工作 ， 了一定 的成果 ， 取得 但是相
传统的正弦脉冲调制相比 ， 具有更高的调制范围 易于实现数字化 ， 电流谐波分量小 ， 并能够有效减 少转矩脉动 纠 ， 儿 Ｊ电压空间矢量脉宽调制技术
矢量控制也叫磁场定向控制 ， 其基本思想是 在普通的三相交流电机上设法模拟直流电机转矩 控制的基本规律 ， 在磁场定向坐标上 ， 电流矢量 将
２１
纺爆 ＇ 龟机
（ ＰＯＩＮＰＯ Ｆ ＬＣＲｃ Ａ Ｈ Ｅ Ｅ ＬＳ —Ｒ Ｏ ＥＴＩ Ｍ ＣＩ ） Ｘ Ｏ Ｅ Ｎ
对外 宣称采用 了矢量 控制技术 。而在 国外品牌 中 基本 上 已经做 到了开环 、 闭环 、 矢量控制三 位一 体
提出了“ 空间矢量” 的模型 ， 并以此为基础建立了
著名 的矢量变换 控 制技 术 ； 后又 建 立了 电压 空 随 间矢量脉 宽 调制技 术 （Ｖ ＷＭ） ＳＰ 。随 着 交 流 调速 的发展 ， Ｖ ＷＭ 调制方式越 来越 受到 重视 ， ＳＰ 它与
想， 在此基础上进一步发展产生了电压空间矢量 脉 宽调制 的概 念 。Ｓ Ｐ Ｖ ＷＭ 又称磁 链追踪 型 Ｐ ＷＭ 法＿ 。随着智能型高速微控制芯片的发展、 ４ 指令
电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术
高压直流输电（HVDC）
适用于高压直流输电系统的电压调节 和电流控制。
电机控制
用于无刷直流电机（BLDC）、永磁 同步电机（PMSM）等电机的控制。
不间断电源（UPS）
用于不间断电源系统的电压调节和能 量转换。
智能电网
用于智能电网中的分布式电源接入和 能量调度。
电压空间矢量PWM(SVPWM)的特点
高电压输出
高效节能
易于数字化实现
降低谐波干扰
能够实现高电压的输出， 适用于高压直流输电
（HVDC）等应用场景。
通过优化PWM脉冲宽度 和角度，实现更高的电 压输出和更低的损耗。
基于数字信号处理（DSP）等 数字技术，实现SVPWM算法
的快速计算和控制。
通过优化PWM脉冲的形 状和角度，降低对电网
电磁干扰
SVPWM控制技术产生的 电磁干扰较小，对周围环 境的影响较小。
04
电压空间矢量 PWM(SVPWM)控制优 化策略
电压空间矢量分配优化
考虑电机参数
根据电机的具体参数，如电感、 电阻等，优化电压空间矢量的分 配，以提高控制精度和响应速度。
降低谐波影响
通过优化电压空间矢量的分配，降 低PWM控制过程中产生的谐波， 减小对电机和整个系统的负面影响。
电压空间矢量 PWM(SVPWM) 控制技术
目录
• 电压空间矢量PWM(SVPWM)技 术概述
• 电压空间矢量PWM(SVPWM)控 制算法
• 电压空间矢量PWM(SVPWM)控 制性能分析
目录
• 电压空间矢量PWM(SVPWM)控 制优化策略
• 电压空间矢量PWM(SVPWM)控 制技术发展趋势
电流输出精度
空间矢量概念的几点理解
空间矢量概念的几点理解搞电机控制已被很多概念搞蒙圈了蒙圈了很久......于是，在一个风雨交加的夜晚，我终于下定决心......打算先写写对空间矢量概念的一丁点儿理解，顺带着再解释下那个困扰自己很久的 2/3Udc 。
如果说的不准确，还请大佬们多多指导。
1，空间矢量什么是空间矢量呢？定义:在电机中，空间的正弦分布可以表示为一个空间矢量。
1.1定子磁动势空间矢量啥叫磁动势？磁动势=磁通*磁阻即 F=\phi R_{m}我们知道磁通量是有方向的，所以磁动势当然也有方向。
这个应该没什么问题。
那么定子产生的磁场方向如何呢？如下图所示，当绕组通电时，会按照右手定则产生如图所示的磁场。
Fig 1 电流产生磁场推而广之，如下图：Fig2 电流产生磁场(盗用一张图，如有侵权，请联系我删除)由Fig 2可知，可将通入交变电流的定子绕组等效为一个个小磁铁。
这些磁铁的磁场方向当然是非常明确的，那么在某个瞬间其合成磁场也应该是明确的。
按一定顺序使定子绕组导通，便产生了沿圆周方向不断运动的定子合成磁场，从而拖动永磁体转子沿一个方向不断运动（异性相吸原理）。
当我们按照上图这样想的时候，其实磁动势空间矢量的概念呼之欲出啊。
而磁动势为什么沿空间正弦分布呢？可以简单地归结为，和电机设计内容相关（比如定子绕组的分布方式等）。
所有绕组，最终可以简化为，位于a,b,c三相轴线上的三个线圈，通入电流后，会产生与实际相绕组等同的磁动势。
如下图，图中ia/ib/ic为各相电流的正方向。
Fig3 等效绕组形式可知，a/b/c三相各自产生的磁动势空间矢量和各相轴线方向平行(根据电流方向取与轴线方向相同或者相反)。
为了助于理解，放一张磁链空间矢量动图：Fig4 磁链空间矢量由上图可见，a/b/c各相产生的磁链在该相轴线处脉动；图中紫色曲线为合成磁链空间矢量，可知其在空间按正弦分布，且沿圆周旋转（旋转磁场，转一周，即可获得理想磁链圆）。
是不是证明了这么一句话：在电机气隙内，定子磁场按正弦分布。
变频器的电压空间矢量控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。
经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。
但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
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SVPWM电压矢量控制解析
ψ s ψ AO ψ BO ψCO k AO k BO e k CO e
j j 2
空间矢量表达式
空间矢量功率表达式
p ' =Re(u s is' ) Re[k 2 (u AO u BO e j uCO e j 2 )(iAO iBO e j iCO e j 2 )] k 2 (u AO iAO u BO iBO uCOiCO ) k 2 Re[(u BO iAO e j uCO iAO e j 2 u AOiBO e j uCO iBO e j u AO iCO e j 2 u BOiCO e j )]
d us ( s e j (1t ) ) dt
j (1t ) j e 1 s 1 se j (1t ) 2
电压与磁链空间矢量的关系
图5-22 旋转磁场与电压空 间矢量的运动轨迹
图5-23 电压矢量圆轨迹
电压空间矢量
直流电源中点O’和交流电动机中点O的电位
2 Ud 2 4 2 4 2 [(1 cos cos ) j (sin sin )] U d 3 2 3 3 3 3 3
8个基本空间矢量
当
SA
uAuBSB NhomakorabeaSC 1 1 0
Ud 2 Ud 2
Ud uC 2
2 4 j j U 2 Ud u2 (1 e j e j 2 ) d (1 e 3 e 3 ) 3 2 2
8个基本空间矢量
PWM逆变器共有8种工作状态
当
SA
SB
uA
uB
SC 1 0 0 Ud Ud Ud uC 2 2 2
空间矢量_svpwm_调制_共模电压问题_概述说明以及解释
空间矢量svpwm 调制共模电压问题概述说明以及解释1. 引言1.1 概述本文旨在对空间矢量(SVPWM)调制技术中的共模电压问题进行全面概述和解释。
SVPWM是一种高性能的电力电子调制方法，被广泛应用于各个领域，如交流电机驱动、无线充电系统等。
然而，在SVPWM调制过程中，常常会出现共模电压问题，这会导致系统性能下降、噪声增加甚至设备损坏。
1.2 文章结构本文将分为五个主要部分来讨论空间矢量SVPWM调制中的共模电压问题。
首先，引言部分将介绍文章的背景和目的。
其次，在第二部分将对SVPWM调制原理进行详细介绍，并探讨其实现方法及应用领域。
第三部分将对共模电压问题进行概述，包括该问题的定义和背景以及影响因素的分析和解决方法综述。
接着，在第四部分将深入解释共模电压问题，包括其原因分析、特征和表现形式以及影响因素的详细解释。
最后，在第五部分给出主要观点总结，并展望未来可能的研究方向。
1.3 目的本文的目的是全面阐述和解释空间矢量SVPWM调制中的共模电压问题。
通过对该问题的概述和解释，读者将更加深入地理解共模电压问题对系统性能和设备稳定性的影响，并了解当前已有的解决方法。
同时，本文也旨在为未来相关研究工作提供指导和展望，以便进一步改善SVPWM调制技术在各个应用领域中的表现。
2. 空间矢量svpwm 调制2.1 原理介绍空间矢量PWM (Space Vector PWM, SVPWM) 是一种常用的控制技术，广泛应用于电力电子领域中的交流电机驱动系统。
它通过合理的结合和控制三个相位电压，可以实现对输出电压矢量的精确控制，从而实现对电机转速、转矩等参数的精确调节。
在空间矢量PWM 调制中，将三个相位电压作为一个整体来处理，并将其表示为一个空间矢量。
通过改变空间矢量的大小和方向，可以实现逆变器输出电压的调节。
2.2 实现方法空间矢量PWM 的实现方法主要包括如下几步：步骤一：将输入的参考信号转换为空间矢量；步骤二：根据当前所处的扇区以及参考信号与各个零序位置的关系，确定最接近参考信号方向的两个基本矢量；步骤三：根据最接近参考信号方向的两个基本矢量以及预设比例因子，计算得到最终需要输出的三相电压；步骤四：通过逆变器将计算得到的三相电压转换为供给电机的交流电。
空间电压矢量及其控制策略
V
2 3
(va0
vb0e j2 /3
vc0e j2 /3 )
(3 4)
式(3-4)表明，如果va0, vb0 , vc0是角频率为ω的 三相对称正弦波电压，那么矢量V即为模为 相电压峰值，且以角频率ω按逆时针方向匀 速旋转的空间矢量，而空间矢量V在三相坐 标轴(a,b,c)上的投影就是对称的三相正弦量
2 3
v dc e
j(k
1)
/
3
V0,7 0
复平面上三相VSR空间电压矢量V*可定义为
Vk
2 3
vdce
j
(
k
1)
/
3
V0,7 0
k 16
(3 2)
上式可表达成开关函数形式
Vj
2 3 vdc (sa
sbe j2 /3
sce j2 /3 )
j 07
(3 2)
对于任意给定的三相基波电压va0, vb0 , vc0，若 考虑三相平衡系统，即va0+vb0+vc0=0，则可在 复平面内定义电压空间矢量
从开关函数波形(见图3—5b)可以看出，在一个 PWM开关周期，该方法使VSR桥臂功率管开关6 次且波形对称;
其PWM谐波仍主要分布在开关频率的整数倍频 率附近。显然，在频率fs附近处的谐波幅值降低 十分明显，其频谱分布如图3—5c所示。
VSR空间矢量合成，不同方法各有其优缺点。 综合来看，第三种方法较好，该方法中开
sc )]vdc sc )]vdc sc )]vdc
(3 1)
23=8种开关函数组合代人式(3-1)即得到相应 的三相VSR交流侧电压值
为方便起见，令A=vdc/3，不同开关组合时 的电压值如下表所示：
第6章(2)：电压空间矢量PWM控制技术48
（6-53）
（6-54）
零矢量的使用 ◆换相周期 T0 应由旋转磁场所需的频率决定， T0 与 t1+ t2 未必相等，其间隙时间可用零矢量 u7 或 u8 来填补。为了减少功率器件的开关次数，一般 使 u7 和 u8 各占一半时间，因此
1 t7 t8 (T0 t1 t 2 ) 2
如果，图中的逆变器采用180°导通型，功率开 关器件共有8种工作状态（见附表） ，其中
◆ 6 种有效开关状态；
◆ 2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出
电压）：
◇上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通 ◇下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通
开关控制模式 ◆对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周 期中6 种有效的工作状态各出现一次。
图6-33 电压空间矢量的放射形式和6个扇区
◆在常规六拍逆变器中一个扇区仅包含两个开关 工作状态。
◆如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场， 就必须在每一个期间内出现多个工作状态， 以形成更多的相位不同的电压空间矢量。为 此，必须对逆变器的控制模式进行改造。
圆形旋转磁场逼近方法
◆ PWM控制显然可以适应上述要求，问题是，怎 样控制PWM的开关时间才能逼近圆形旋转磁场。 ◆科技工作者已经提出过多种实现方法，例如线 性组合法，三段逼近法，比较判断法等[31]，这 里只介绍线性组合法。
基本思路
◆如果要逼近圆形，可以增加切换次数，设想磁 链增量由图中的11 ， 12 ， 13 ， 14 这4 段组成。这时，每段施加的电压空间矢量的相位 都不一样，可以用基本电压矢量线性组合的方法 获得
图6-31 逼近圆形时 的磁链增量轨迹
线性组合的方法
第9章空间电压矢量PWM-资料
s i u i ( S A S B S C ) d 0 t 0 u i ( S A S B S C ) t
磁链矢量增量的方向一定与电压矢量的方向相同。如果电机
中有磁链矢量初始值，则总磁链是这两个矢量的矢量和。零
矢量作用时磁链矢量增量为零，磁链不移动。
磁通轨迹PWM是利用这８个矢量（6个非零矢量、二个零矢 量）进行合理组合，并调控选用矢量的作用时间使磁链轨迹 尽可能地逼近圆形。
Power electronics 电力电子学
空间矢量脉宽调制
西南交通大学
第1节 空间矢量理论基础 1. 空间矢量理论
在三相电机中，三相对称绕组通上相对称电流要 产生一个空间磁势矢量F（旋转磁势矢量）。我们 认为磁势矢量F是由一个对应的等效电流矢量产生， 称其为空间电流矢量
iA
iB
iC
B
ωs
t1 t3 t2
逼近圆形的方法很多，现以折线逼近法为例说明磁通轨迹 PWM的基本方法。
将圆周6等分得到6个区域，每个区域有两个矢量相交。按顺 时针方向，第一个为主矢量，第二个为辅助矢量。每个区域仅 选择主、辅和零矢量作用。用折线来逼近圆弧。
U4
U4
U6
（3） （2）
U5
U6
（3） （2）
U5
（4）
（1）
（4）
（1）
165 162 132 432 435 465 101 100 110 010 011 001
uan
ωt
ubn
ωt
ucn
ωt
V6 V1 V2 V3 V4 V5
由电路得电压方程（不计电阻）
西南交通大学
va
L
空间电压矢量调制SVPWM技术详解
U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和两个零矢量 U0(000)、 U7(111) ， 下 面 以 其 中 一 种 开 关 组 合 为 例 分 析 ， 假 设
Sx (x = a,b,c) = (100) ， 此 时
Ua
Udc
N
Uc Ub
图 1-2 矢量 U4(100)
⎧U A (t ) = U m cos(θ ) ⎪⎨U B (t ) = U m cos(θ − 2π / 3) ⎪⎩U C (t ) = U m cos(θ + 2π / 3)
(1-1)
其中，θ = 2π ft ，则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量 U(t)
就可以表示为：
U (t)
= U A (t ) + U B (t )e j 2π /3
计算出其它各种组合下的空间电压矢量，列表如下：
Sa Sb 00 10 11 01 01 00
表 1-1 开关状态与相电压和线电压的对应关系
线电压
相电压
Sc
矢量符号
Uab
Ubc
Uca
UaN
UbN
UcN
0
U0
0
0
0
0
0
0
2
1
1
0
U4
Udc
0
0
3 U dc
− 3 U dc
− 3U dc
1
1
2
0
U6
Udc
Udc
空间电压矢量调制 SVPWM 技术详解
SVPWM 是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率 逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波， 能够使输出电流波形尽 可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量 PWM 与传统的正弦 PWM 不同，它是从三相输出电压的整体效果出 发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。 SVPWM 技术与 SPWM 相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降 低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提 高，且更易于实现数字化。下面将对该算法进行详细分析阐述。
空间电压矢量控制变频调速零矢量的作用
空间电压矢量控制变频调速零矢量的作用引言在现代工业中，电机广泛应用于各种传动系统中。
电机调速技术对于传动系统的性能和效率至关重要。
空间电压矢量控制变频调速是一种常用的电机调速方法，其中零矢量调制是其中的一种重要方式。
本文将详细探讨空间电压矢量控制变频调速中零矢量的作用，其优势和应用。
空间电压矢量控制变频调速简介空间电压矢量控制是一种通过控制电机绕组电流来实现电机转矩和速度控制的方法。
其基本原理是将电机绕组电流分解为两个正交轴上的电流矢量，利用矢量间的相对运动来控制电机。
零矢量调制的基本原理零矢量调制是空间电压矢量控制中的一种调制策略。
其原理是将正交轴上的电流矢量都置为零，使电机停止转动。
在零矢量状态下，电机所产生的转矩为零，同时电机也不会出现震动和噪声。
零矢量调制主要应用于电机停止或变速的场景中。
零矢量调制的优势零矢量调制具有以下几个优势：1. 减少电机噪声由于零矢量调制使电机停止转动，电机的机械运动噪声也将降低。
这对于要求低噪声的应用场景（例如家电和办公设备）非常重要。
2. 提高系统响应速度在电机变速时，零矢量调制可以迅速将电机停止。
这对于要求快速响应的系统非常重要，例如需要频繁制动和变速的装备。
3. 减少能耗零矢量调制可以有效减少电机的能耗。
在电机停止或变速时，无需额外的能量输入，因此可以降低系统的总能耗。
4. 降低机械磨损在电机转速较高的情况下，零矢量调制可以避免电机因制动或变速过程中产生的机械磨损。
这对于提高电机寿命和减少维护成本非常重要。
零矢量调制的应用零矢量调制在各种场景中都有广泛应用。
1. 家电和办公设备家电和办公设备中往往需要低噪声和高效率的电机。
零矢量调制可以在停止和变速时降低噪声，提高系统效率。
2. 制造业制造业中的装备往往需要频繁制动和变速。
零矢量调制可以提高系统的响应速度，提高生产效率。
3. 交通运输交通运输领域中的电机（例如电动汽车和电动自行车）往往需要高效率和能耗较低。
空间矢量脉宽调制(SVPWM)的开环讲解
采用空间矢量脉宽调制（SVPWM ）的开环VVVF 调速系统的综合实训一、实验目的1、理解电压空间矢量脉宽调制（SVPWM ）控制的基本原理。
2、熟悉MCKV 电机控制系统的CPU 模块、IPM 模块和机组各部分硬件模块，并确认工作正常。
3、了解SVPWM 变频器运行参数和特性。
二、实验内容：1、熟悉CCS 编程环境，并在CCS 下编译、下载、运行DSP 软件工程。
2、观察并记录定子磁链周期和频率，并分析他们之间的关系。
3、观测并记录启动时电机定子电流和电机速度波形)(t f i v =与)(t f n =；三、实验预习要求1、阅读并掌握三相交流异步电机VVVF 调速系统工作原理。
2、了解电压空间矢量脉宽调制（SVPWM ）控制的基本原理。
3、阅读本次实验指导书和实验程序，写好实验预习报告。
4、在MATLAB/Simulinlk 环境中搭好仿真模型，结合本程序LEVEL1功能框图，完成电流速度双闭环系统交流异步电机矢量控制仿真。
四、实验原理当用三相平衡的正弦电压向交流电动机供电时，电动机的定子磁链空间矢量幅值恒定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转矢量（磁链圆）。
SVPWM 就是着眼于使形成的磁链轨迹跟踪由理想三相平衡正弦波电压源供电时所形成的基准磁链圆，使逆变电路能向交流电动机提供可变频电源，实现交流电动机的变频调速。
现在以实验系统中用的电压源型逆变器为例说明SVPWM 的工作原理。
三相逆变器由直流电源和6个开关元件( MOSFET) 组成。
图1是电压源型逆变器的示意图。
图1 电压源型逆变器示意图对于每个桥臂而言，它的上下开关元件不能同时打开，否则会因短路而烧毁元器件。
其中A 、B 、C 代表3 个桥臂的开关状态，当上桥臂开关元件为开而下桥臂开关元件为关时定义其状态为1 ,当下桥臂开关元件为开而上桥臂开关元件为关时定义其状态为0。
这样A 、B 、C 有000 、001 、010 、011 、100 、101 、110 、111共 8种状态。
空间矢量调制
空间矢量调制众所周之，感应电机变频调速采用SPWM 要求获得的正弦的三相电压波形，虽然定子三相绕组电压按照等面积法则满足正弦对称条件，但是由于逆变器电压实际上仍然是脉冲电压，三相绕组中电流的谐波分量多，而且最主要的不足是电源的利用率较低，大约等于86%。
从电机学的原理来看，感应电机需要输入三相正弦电压的最终目的是在空间产生圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。
空间矢量调制技术在电压源逆变器供电的情况下，以三相对称正弦电压产生的圆形磁链为基准，通过逆变器开关状态的选择产生PWM 波形，使得实际磁链逼近圆形磁链轨迹，而且可以较好地改善电源的利用率。
对于逆变器来说，功率器件的开关导通状态是有限的，因此根据功率器件导通状态确定的空间矢量位置也时有限的。
空间矢量调制就是根据确定位置的有限个空间矢量组合作用来产生满足任意位置和一定幅值范围需要的空间矢量的过程。
也就是，在整个PWM 周期内改变各相导通时间的分配来形成所需的任意空间矢量。
空间矢量调制有三类：电压空间矢量调制、磁链空间矢量调制、电流空间矢量调制。
常用的电压空间矢量调制（SVPWM).SVPWM的基本原理图绘出了三相PWM逆变器供电给异步电机的原理图，为使电机对称工作，必须三相同时供电。
a,b,c 分别代表3 个桥臂的开关状态，规定：上桥臂器件导通用“1”表示，下桥臂器件导通用“0”表示，并依UVW 相序依次排列。
可以推导出，三相逆变器输出的相电压矢量[Uu Uv Uw]T 与开关状态矢量[a b c]T的关系为：Uu Uv Uw = U DC32−1−1−12−1−1−12abc式中U DC是直流电源电压。
将式（1-17）代入电压空间矢量公式：得到相应逆变器工作模式与输出电压的关系，如表1-1 U out=23U u + U v e j2π3 +U w e j4π3得到相应逆变器工作模式与输出电压的关系，如表1-1由表1-1 的计算结果，得到如图1-6 所示的8个基本空间电压矢量，其中6中空间电压矢量幅值相等，都等于2U DC3，相位角互差π3，分别记作U0,U60,U120,U180,U240,U300,而零电压矢量记作0000，0111。
SVPWM电压矢量控制
is 、i 共轭矢量
' s
空间矢量表达式
考虑到
'
iAO iBO iCO 0
2 3
3 2 3 2 p = k (u AOiAO u BOiBO uCOiCO ) k p 2 2
三相瞬时功率
p=uAOiAO uBOiBO uCOiCO
2 k 3
按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则
定子磁链空间矢量
ψ s ψ AO ψ BO ψCO k AO k BO e k CO e
j j 2
空间矢量表达式
空间矢量功率表达式
p ' =Re(u s is' ) Re[k 2 (u AO u BO e j uCO e j 2 )(iAO iBO e j iCO e j 2 )] k 2 (u AO iAO u BO iBO uCOiCO ) k 2 Re[(u BO iAO e j uCO iAO e j 2 u AOiBO e j uCO iBO e j u AO iCO e j 2 u BOiCO e j )]
磁链空间矢量的近似关系为
dψ s us dt
的关系
当电动机由三相平衡正弦电压供电时，
电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以 恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆 形（简称为磁链圆）。
定子磁链矢量 定子电压矢量
ψs s e
j (1t )
不等，但合成电压矢量的表达式相等。 因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。
us uAO uBO uCO 2 (u AO uBO e j uCO e j 2 ) 3
2 [(u A uOO ' ) (uB uOO ' )e j (uC uOO ' )e j 2 ] 3 2 2 [u A uB e j uC e j 2 uOO ' (1 e j e j 2 )] (u A u B e j uC e j 2 ) 3 3
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电气空间矢量PWM
自动1202 熊立波 20121799
什么是电气空间矢量PWM ，以及怎样用于变频器V/F 控制？
空间矢量的定义：交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间向量来表示，但如果考虑到他们所在的空间位置，也可以定义为空间矢量。
在图中，A ，B ，C 分别表示在空间静止的电动机定子三
相绕组的轴线，它们在空间互差0
120
，三相定子正弦
波相电压0A U 、0B U 、0C U 分别加在三相绕组上。
可以定义三个定子电压空间矢量
A u
、
B u
、
0C u
，使
它们的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律波动，时间相位互相错开的角度也是
120。
0s
A B C u u u u
=++
当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量
0s
A B C u u u u
=++
112111224[cos()cos()cos()]33323
j j m m m j t j t
m s t t t U U e U e U e U e γγππωωωωω=+-+-=
=
合成空间矢量表示的定子电压方程式
s
s s
s
d dt u i
R ψ
=+
忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为
s
d dt ψ
或
s s
dt
u ψ
≈⎰
三相逆变电路每相上下桥臂开关动作相反，将上桥臂导通而下桥臂关断的状态记为1，反之
记为0，则三相逆变电路共对应8种输出电压状态。
PWM 逆变器共有8种工作状态
当
（A S B S C S ）=（1 0 0）
（A
u B
u C u
）=（2d
U
2d U - 2d U -）
2423
3122(1)(1)
3232j j j j
d d U U u
e e e e ππ
γγ=--=--
224242
[(1cos cos )(sin sin )]3233333d d
j U U ππππ=
---+=
当
（A S B S C
S ）=（1 1 0） （A
u B
u C u
）=（2d
U 2d
U
2d
U -）
2423322(1)(1)
322j j j j d d
U U u e e e e ππ
γγ=+-=+-
22424[(1cos cos )(sin sin )]323333d j U ππππ
=
+-+-
3
22(13)323j d d j U U e π=+=
依次类推，可得8个基本空间矢量。
6个有效工作矢量 1
u ~6
u
幅值为
2
3d U
空间互差 3π
2个零矢量
u
、7u
基本电压空间矢量
V/F 控制方式：在低频运行时，通过适当补偿定子电压，以抵消阻抗压降份额增大的影响，使反电动势和磁通得到补充，从而增大低频时带负载能力的方法。
如果交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆变器供电，磁链轨迹便是六边形的旋转磁场，这显然不像在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。
其所以如此，是因为在一个周期内逆变器的工作状态只切换6次，切换后只形成6个电压空间矢量。
如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个Π/3期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。
为此，必须对逆变器的控制模式进行改造，PWM 控制显然可以适应上述要求。
逼近圆形时的磁链增量矢量轨迹
如果要逼近圆形，可以增加切换次数，设想磁链增量段组成。
这时，每段增加的电压空间矢量的相位都不一样，可以用基本电压空间矢量线性组合的方法获得。
在每个小区间内，定子磁链矢量的增量为
△()()o s k k u T ψ=
()s
k u 非基本电压矢量，必须用两个基本矢
量合成。
为了产生△
s ψ
（0）
51
2
1236
1
022(0)33j s
d d
t t t t u u u U e U T T T
T π
=+=+
定子磁链矢量的增量为
53016211
22(0)(0)33j
s d d s
u t u t u t U e U T π
ψ∆==+=+
21
16
16211.(0,1)0
2.(0,2)2
3.(0,3)2
4.(0,4)0(0,*)
5.(0,5)2
6.(0,6)2
7.(0,7)0s
s s s s
s s s t u t u t u t u ψψψψψ
ψψψ⎧∆=⎪⎪∆=⎪⎪
⎪∆=⎪⎪
⎪
∆=∆=⎨⎪⎪∆=⎪⎪⎪∆=⎪⎪
∆=⎪⎩
π/3弧度内实现的定子磁链矢量轨迹0~2π弧度的定子矢量轨迹
由于N是有限的，所以磁链轨迹只能接近于圆，而不可能等于圆。