SVPWM控制技术解析
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电压空间矢量脉宽调制方法
简称：空间矢量调制（SVPWM, Space Vector Pulse Width Modulation） 应用范围：三相全桥逆变器，采用全控型开关 器件，例如IGBT, MOSFET,GTO, IGCT等。 应用非常广泛的一种PWM控制方法，尤其在 三相交流电动机变频调速控制系统中最为常用， 其它应用有三相PWM整流器，有源电力滤波 器等。
6-2
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法• 引言
二极管整流器
三相PWM逆变器
三 相 交 流 电 源
U
V
M
W
~
常见的PWM方法有： SPWM，SAPWM， SVPWM，滞环比较 方式等。
PWM驱动控制 信号（共6路）
怎么样才能得 到 所需的IGBT驱 动控制信号？
6-3
图1.0 三相逆变器异步电机变频调速系统主电路
6-4
实验运行相关波形：（空载运行） 等效参考电压调制波和电机线电流（fo = 25Hz）
6-5
等效参考电压调制波
电机线电流
实验运行相关波形：（空载运行） 等效参考电压调制波和电机线电流（25Hz）（放大）
6-6
电机相电压
电机相电压和电机线电流波形（10Hz）
6-7
电机相电压和电机线电流波形（10Hz）（放大）
6-1
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法
引言 6.4.1 180o导通模式下的逆变器电压空间矢量 6.4.2 三相对称交流量空间矢量定义 6.4.3 电机磁链空间矢量与电压矢量的关系 6.4.4 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 6.4.5 电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制 小结 本节习题
6-13
开关工作状态
如果，上述图中的逆变器采用180°导通型，功 率开关器件共有 23 = 8 种组合工作状态（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 V1、V3、V5 全部导通 下桥臂开关 V2、V4、V6 全部导通
6-14
三相桥臂 输出状态 三相电压型 全桥逆变器 桥臂输出电 压波形
6-8
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法• 引言
☺传统（经典）的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的
输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。 而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦 波附 近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而 交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动 机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。
2π uUN′ 100
110 010 011 001 101 100 110
2π
010 011 001 101
o o
Ud/2 Ud/2 Ud/2 Ud/2 Ud/2 Ud/2 Ud/6 Ud/6
ωt
Ud/3
ωt
uVN′
ωt
uWN′
o
ωt
负载中性点 电压波形
uNN′
o o
uUN
Ud/6 Ud/3
2Ud/3 2Ud/3
☺如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，
按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应 该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，接下来 的讨论将表明，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间 矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM， Space Vector PWM）控制”。这是一种在80年代提出， 现在得到广泛应用的三相逆变器PWM控制方法。
开关代码：表示三相桥臂输出状态； 1—上管导通，下管关断，桥臂输出高电平 0—下管导通，上管关断，桥臂输出低电平
6-16
开关控制模式
对于六拍阶梯波工作模式下的逆变器，在其输出 的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。 逆变器每隔 /3 时刻就切换一次工作状态（即换 相），而在这 /3 时刻内则保持不变（方波控制 模式）。
6-11
主电路原理图简化表示
功率开关器件共 有 23 = 8 种，组合 工作状态
Ud 2
SU SV SW
交流电机 IM N
N′
Ud 2
三相逆变器-异步电动机 变频调速系统主电路原理图（二）
6-12
逆变器的 8 种工作状态
① 100 ② 110
③ 010
④ 011
⑤ 001
⑥ 101
ຫໍສະໝຸດ Baidu
⑦ 000
⑧ 111
Ud/6
ωt
三相电压型 全桥逆变器 负载相电压 波形（六拍 阶梯波）
uVN
Ud/3
2Ud/3
o
uWN
Ud/3
2Ud/3
2Ud/3
ωt
Ud/3 Ud/3
2Ud/3 2Ud/3 2Ud/3
o
ωt
6-15
开关状态表
序号 1 2 2 4 5 6 7 8 VT6 VT1 VT2 VT1 VT2 VT3 VT2 VT3 VT4 VT3 VT4 VT5 VT4 VT5 VT6 VT5 VT6 VT1 VT2 VT4 VT6 VT1 VT3 VT5 开 关 状 态 开关代码 100 110 010 011 001 101 000 111
6-9
6.4.1 180o导通模式下的逆变器 电压空间矢量
1
1
Ud
U
U
U
0
和每相输出电流的 方向无关
0
三相逆变器主电路桥臂简化
6-10
主电路原理图简化表示
功率开关器件共 有 23 = 8 种，组合 工作状态
Ud 2
V1
U V
V3
V5
IM W N
N′
Ud 2
V4
V6
V2 交流电机
三相逆变器-异步电动机 变频调速系统主电路原理图（一）
工作于这种模式下的逆变器，我们通常把它简称 为六拍逆变器。
6-17
逆变器输出电压空间矢量的定义
六拍阶梯波逆变器输出的各电压波形 如前所示。
如果定义电压空间矢量 U s 为：
为何有此 定义？
4 j 3
2 U s (U UN U VN e 3
2 j 3
U WN e
)
则根据前述六拍阶梯波工作模式下的6种工作状态， 可以分别推导得出6个电压空间矢量： Us1, Us2, Us3, Us4, Us5和Us6； Us7和Us8幅值为零，称为零电压矢量，简称零矢量
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法• 引言
三相控制电 压输入信号 6路驱动 脉冲
Ud
三相交流 输出电压
uu uv uw SVPWM 控制器 三相桥式 PWM型 逆变器
U V W 交流 电动机
为系统给定信号（开环）， 或者为上一级控制器综合出 的控制电压信号（闭环）。
主电路的功率放大作用
三相PWM型逆变器-交流电动机系统框图（开环）（参考图6-7）
简称：空间矢量调制（SVPWM, Space Vector Pulse Width Modulation） 应用范围：三相全桥逆变器，采用全控型开关 器件，例如IGBT, MOSFET,GTO, IGCT等。 应用非常广泛的一种PWM控制方法，尤其在 三相交流电动机变频调速控制系统中最为常用， 其它应用有三相PWM整流器，有源电力滤波 器等。
6-2
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法• 引言
二极管整流器
三相PWM逆变器
三 相 交 流 电 源
U
V
M
W
~
常见的PWM方法有： SPWM，SAPWM， SVPWM，滞环比较 方式等。
PWM驱动控制 信号（共6路）
怎么样才能得 到 所需的IGBT驱 动控制信号？
6-3
图1.0 三相逆变器异步电机变频调速系统主电路
6-4
实验运行相关波形：（空载运行） 等效参考电压调制波和电机线电流（fo = 25Hz）
6-5
等效参考电压调制波
电机线电流
实验运行相关波形：（空载运行） 等效参考电压调制波和电机线电流（25Hz）（放大）
6-6
电机相电压
电机相电压和电机线电流波形（10Hz）
6-7
电机相电压和电机线电流波形（10Hz）（放大）
6-1
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法
引言 6.4.1 180o导通模式下的逆变器电压空间矢量 6.4.2 三相对称交流量空间矢量定义 6.4.3 电机磁链空间矢量与电压矢量的关系 6.4.4 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 6.4.5 电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制 小结 本节习题
6-13
开关工作状态
如果，上述图中的逆变器采用180°导通型，功 率开关器件共有 23 = 8 种组合工作状态（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 V1、V3、V5 全部导通 下桥臂开关 V2、V4、V6 全部导通
6-14
三相桥臂 输出状态 三相电压型 全桥逆变器 桥臂输出电 压波形
6-8
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法• 引言
☺传统（经典）的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的
输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。 而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦 波附 近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而 交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动 机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。
2π uUN′ 100
110 010 011 001 101 100 110
2π
010 011 001 101
o o
Ud/2 Ud/2 Ud/2 Ud/2 Ud/2 Ud/2 Ud/6 Ud/6
ωt
Ud/3
ωt
uVN′
ωt
uWN′
o
ωt
负载中性点 电压波形
uNN′
o o
uUN
Ud/6 Ud/3
2Ud/3 2Ud/3
☺如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，
按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应 该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，接下来 的讨论将表明，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间 矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM， Space Vector PWM）控制”。这是一种在80年代提出， 现在得到广泛应用的三相逆变器PWM控制方法。
开关代码：表示三相桥臂输出状态； 1—上管导通，下管关断，桥臂输出高电平 0—下管导通，上管关断，桥臂输出低电平
6-16
开关控制模式
对于六拍阶梯波工作模式下的逆变器，在其输出 的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。 逆变器每隔 /3 时刻就切换一次工作状态（即换 相），而在这 /3 时刻内则保持不变（方波控制 模式）。
6-11
主电路原理图简化表示
功率开关器件共 有 23 = 8 种，组合 工作状态
Ud 2
SU SV SW
交流电机 IM N
N′
Ud 2
三相逆变器-异步电动机 变频调速系统主电路原理图（二）
6-12
逆变器的 8 种工作状态
① 100 ② 110
③ 010
④ 011
⑤ 001
⑥ 101
ຫໍສະໝຸດ Baidu
⑦ 000
⑧ 111
Ud/6
ωt
三相电压型 全桥逆变器 负载相电压 波形（六拍 阶梯波）
uVN
Ud/3
2Ud/3
o
uWN
Ud/3
2Ud/3
2Ud/3
ωt
Ud/3 Ud/3
2Ud/3 2Ud/3 2Ud/3
o
ωt
6-15
开关状态表
序号 1 2 2 4 5 6 7 8 VT6 VT1 VT2 VT1 VT2 VT3 VT2 VT3 VT4 VT3 VT4 VT5 VT4 VT5 VT6 VT5 VT6 VT1 VT2 VT4 VT6 VT1 VT3 VT5 开 关 状 态 开关代码 100 110 010 011 001 101 000 111
6-9
6.4.1 180o导通模式下的逆变器 电压空间矢量
1
1
Ud
U
U
U
0
和每相输出电流的 方向无关
0
三相逆变器主电路桥臂简化
6-10
主电路原理图简化表示
功率开关器件共 有 23 = 8 种，组合 工作状态
Ud 2
V1
U V
V3
V5
IM W N
N′
Ud 2
V4
V6
V2 交流电机
三相逆变器-异步电动机 变频调速系统主电路原理图（一）
工作于这种模式下的逆变器，我们通常把它简称 为六拍逆变器。
6-17
逆变器输出电压空间矢量的定义
六拍阶梯波逆变器输出的各电压波形 如前所示。
如果定义电压空间矢量 U s 为：
为何有此 定义？
4 j 3
2 U s (U UN U VN e 3
2 j 3
U WN e
)
则根据前述六拍阶梯波工作模式下的6种工作状态， 可以分别推导得出6个电压空间矢量： Us1, Us2, Us3, Us4, Us5和Us6； Us7和Us8幅值为零，称为零电压矢量，简称零矢量
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法• 引言
三相控制电 压输入信号 6路驱动 脉冲
Ud
三相交流 输出电压
uu uv uw SVPWM 控制器 三相桥式 PWM型 逆变器
U V W 交流 电动机
为系统给定信号（开环）， 或者为上一级控制器综合出 的控制电压信号（闭环）。
主电路的功率放大作用
三相PWM型逆变器-交流电动机系统框图（开环）（参考图6-7）