SVPWM控制技术及其应用

SVPWM控制技术及其应用

摘要 :空间矢量脉宽调制(SVPWM)是控制永磁同步电机的一种控制方式。SVPWM的原理是利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合，使逆变器的输出电压矢量的运行轨迹尽可能接近圆形。SVPWM技术应用于交流调速系统中不但改善了脉宽调制((PWM)技术存在电压利用率偏低的缺点，而且具有转矩脉动小、噪声低等优点。本文对SVPAM的控制技术及其应用进行了较为详细的阐述。

关键词 :永磁同步电机；矢量控制；变频调速

SVPWM Control Technique and Application

Fu Rong-bing

(Henan Polytechnic University,

School of Electrical Engineering and Automation)

Abstract: Space vector pulse width modulation(SVPWM)is a method to control the PMSM motor.The principle of SVPAM is using every inverter bridge switch control signal of different combination,make the operation of the inverter output voltage vector trajectory as close as possible to the circular. SVPWM technology applied in AC speed regulation system can not only improve the shortcoming of low voltage utilization in the pulse -width modulation (PWM) technology , but have little torque ripple，low noise advantages. In this paper, the SVPAM control technology and application are discussed in detail.

Key words: permanent magnet synchronous motor;motor Vector control; Frequency control of motor spector

1引言

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，相对于传统的SPWM方法，其功率器件的开关次数可减少1/3，直流电压利用率可提高15%，转矩脉动小、噪声低，谐波抑制效果好，且易于数字化实现。

2 SVPWM控制原理

2.1 SVPWM的控制算法

SVPWM控制算法的思想是:当三相交流对称正弦电压对电机供电时，交流电机在空间中产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。若以交流电机中的理想磁链圆为基准圆，用逆变器不同的开关模式所产生的有效矢量来逼近基准圆，即用正多边形磁链近似圆形磁链，以形成旋转磁场，就可以达到控制电机的目的。2.2 基本电压空间矢量

当三相逆变器(180导通方式)对PMSM供电时，定子电压由逆变器三组6个功率管的开关状态确定。由逆变器各桥臂不同的开关状态，可以得到8个基本电压矢量，包括2个零矢量和6个非零电压矢量。6个非零矢量的幅值相同，相邻的矢量互差60°每个矢量长度均等于2Udc /3。

(0 0 0)和(1 1 1)两个状态矢量为零矢量，其长度等于零，位于坐标原点。这8个空间矢量被称为基本电压空间矢量，分别记为Uo、 U1、U2、U3、U4、U5、U6、O、和Om，其空间分布如图1所示。

)

100 011

(

3

U

)

001

(

1

U)

101

(

5

U

图1 SVPWM向量、扇区、波形、矢量合成图

Fig.1 SVPWM vector, sector, waveform, vector composite image

2.3 磁链轨迹的控制

SVPWM 方法的目的是用基本空间电压矢量来逼近电机所需的电压矢量OUT U ，一般所用方法是在一个采样周期PWM T 内使逆变器输出电压的平均值跟OUT U 相等。如图2所示，OUT U 可由两相邻非零基本空间电压矢量x U 和60x U ±的线性时间组合来得到

1260PWM out x x T U t U t U ±=+ （1）

式中1t ,2t 一电压矢量x U 和60x U ±对应开关管的导通时间;

PWM T —OUT U 作用的时间。

ref

βU ref αβ

444U T

图2电压空间矢量的线性组合

Fig.2 A linear combination of the voltage space

vector

2.4 空间电压矢量的扇区判定

6个非零电压空间矢量将空间分为6个区域，每个区域对应一个扇区号，如图1中的I ，II ，III ，IV ，V ，VI 。如果知道了OUT U 所在的扇区，就能确定用来合成OUT U 的2个相邻的基本电压空间矢量。当得出OUT U 分别在α轴和β轴上的2个分量U α和U β后，可计算出

1ref V U β=

2sin30sin 60ref V U U βα=-︒+︒ （2） 3sin30sin 60ref V U U βα=-︒-︒

令123()2()4()ref ref ref N sign V sign V sign V =++，则

OUT U 所在扇区号与N 的对应关系如表1所示。

表1 扇区号与N 的对应关系

Tab.1 N value corresponding relationship with the sector

N 3 1 5 4 6 2 扇区号 Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

2.5电压空间矢量作用时间的计算

用正弦定理对图2进行分析得 12

60

sin(60)sin120sin X x PWM out PWM

t t U U T U T θθ±

==

︒-︒ （3） 由（3）式可得

1sin(60)PWM t θ=︒

- （4） 2sin PWM t θ=

（5）

可见，当2个相邻的基本电压矢量x U 和60

x U ±确定后就可计算出1t 和2t 。由于当逆变器单独输出零矢量000O 或111O 时不会改变电机定子磁链矢量S ψ的幅值，所以可在PWM T 期间插入零矢量单独作用的时间0t ，使PW M T =1t +2t +

0t ，从而达到变

频的目的。

2.6 SVPWM 输出模块

将三角波与矢量的切换点比较，利用滞环控制实现SVPWM 信号。当矢量的切换点与三角波进行比较时，若其差值大于滞环比较器所定义的滞环宽度，逆变器所对应的功率开关器件正向导通，负向关断;反之，若差值小于滞环宽度时，功率开关器件状态不变。从而生成三相桥臂逆变器功率开关器件的6组控制信号。如图4.

图3 SVPWM 输出模块结构图

Fig.3 The output module structure of SVPWM

3 矢量控制变频调速原理

本文中的矢量控制调速系统原理框图如图3