空间矢量脉宽调制技术在交流感应电机控制中的应用

空间矢量脉宽调制技术在交流感应电机控制中的使用

前言：由于交流感应电机的可靠性、坚固耐用、相对的低成本，它在许多应用领域已经渐渐地取代了直流电机。现在在许多工厂中的空气压缩机都是用交流感应电机来驱动的。速度控制交流感应电机可以节省大量的电能。在交流电机的中，空间矢量脉宽调制技术已经变成了流行的技术。其控制方法与仿真如下所述。

关键词：空间矢量脉宽调制；交流感应电机；仿真。

I. 绪论

随着可关断晶体管、大功率管、隔离栅双极晶体管等晶体管工作特性的的进步，频率转换方法使用在电机速度控制中正在变得越来越流行。脉宽调制变流器使在电机中控制电压和电流的频率和大小的数量级成为了可能。因此，相对于固定频率的电机驱动，脉宽调制换流电机驱动可以提供更好的效率和更高的性能。现在有正弦曲线、过度、和相对空间矢量脉宽调制等几种技术。空间矢量脉宽调制方法不仅可以产生转动磁场而且可以更好地提高电压的利用率。

此外，在如今仿真技术已经变成了一种解决一些重要工程问题的技术方MATLAB/simulink仿真软件是一个非常重要的仿真软件，在我们产生产品之前，很有必要利用仿真软件去实现产品的可行性。

II. 空间矢量脉宽调制技术

A. 空间矢量脉宽调制技术的简介：

空间矢量脉宽调制引用了由三相功率转换器是最上面的三个功率三极管组成的一个特殊矩阵。和直接正弦曲线调制技术相比，在应用于交流电机调相中时,空间矢量脉宽调制电压和电流的输出端可以产生极少的波形失真，并且可以提供更高效率的电压补给。

典型的三相电压源功率变流器的结构如图In Fig 所示。在应用于应用于电机的绕组中时Va, Vb and Vc时电压的输出端。Q1到Q6六个功率晶体管形成输出端，他们由a, a’, b, b’, c and c’六段控制。在交流感应电机的控制中，当最上端的功率管转换时，相应的下面的功率管是关断的。开和关的状态对于上端Q1，Q3和Q5是等同的，a，b和c端在电压输出端的估值是很足够的。

Fig.1 三相功率转换器图

转换可变矢量 [a, b, c]t之间的关系、行与行之间的的电压矢量之间的关系 [Vab Vbc

Vca]t、输出相电压矢量之间的关系如下（1）、（2）式所示。

B. 转换方式和基本空间矢量

如图in Fig.1 所示。在上部的三个功率晶体管的开和关的组合状态有八种可能的组合。注意到下部的功率管的开关状态和上部的功率管的是相反的，所以一旦上部的三个功率管的开关状态确定了，下部的功率管的状态就可以完全确定了。根据式（1）、（2），在直流电源下的八种组合开关管的状态组合和行与行之间的输出矩阵和相电压如Tab.1. 所示。

Tab.1 设备的开关状态和相应的输出电压

C.定子电压的(α , β) 结构表达

在FOC的运算法则中，控制变量可表达在一个转置结构中。电流矢量Isref 可以直接控

制在规定的参考电压矢量中经过Park-1转换的矩阵。这个基准电压矢量可以在(α , β) 结构中表达。三相电Va, Vb and Vc之间的电压和基准参考电压三相电压之间的关系同样可以在(α , β) 结构中实现。

三相电压在(α , β) 结构中用克拉克转换方程表达如下所示。

由于在功率转换中八种状态组合都是有可能的，根据晶体管控制信号a，b，c的状态，V sα和 V sβ在(α , β) 结构表达中可以取一串有限的数值。他们之间的关系表达如表 2 所示。

Tab.2定子电压

此处的 U0, U60, U120, U180, U240, U300, O000 和O111被称作基本空间向量。V s α和V sβ被称作基本空间向量的分量。

D.输出电压的α, β分解

八个基本空间向量通过联合转换的定义如图Fig 2 所示

空间向量脉宽调制技术的目的在于使用八个基本空间向量去估算输出的参考电压值。

在八个可能转换状态下使用去估算定子参考电压期望值的方法就是联合邻近的定子参考电压和调节每两个邻近定子的运行时间。参考电压Uout 和Uα,Uβ与基本空间向量之间的关系如图Fig .3.所示。

参考基准电压向量

在图.Fig .3中参考电压Uout 在基本空间向量 U0 和 U60 与相邻定子之间的运行时间之间的关系如（4）所示：

T1和T3周期的数量如（5）式所示:

显而易见，所有基本空间向量的行列值都是2VDC/3.最大的相电压是空间向量电压值的2/ 3VDC，所以基本空间向量在组合的绝对值是60 0 = = U U。。从上面的方程中我推断出T1和T3.

周期的余下时间都是耗在零向量中。T0值的方程就是T0=T-T1-T3.

在每一部分中，每个交换周期都是可以计算出来的。时间矢量的运用数量都与如下的变量有关：

在上述的例中第三部分中，t1=-Z, t2=X;

同理可证，在其他部分中的输出电压Uout 中，相应的t1和t2可以通过X、Y与Z表示出来。

表3.t1和t2的估值

为了知道上述中哪一个变量正在应用，上述关系在参考电压矢量中的值必须得到。E.关键部分和开关时间

为了确定这部分，一个简单的的方法就是计算参考电压矢量在(a, b, c)同一时刻的Va, Vb 和 Vc 的发射电压。这些发射电压都是相对于参考电压0的。

发射电压Va, Vb 和 Vc如下式所示：

现在a，b，c三个变量的关系如下，如果Va>0,则 a=1，否则a=0；如果 Vb>0,则b=1,否则b=0；如果Vc>0，则C=1，否则c=0。 N=4c+2b+a。变量N与其他部分的关系如下表格所示：

表.4

下一步就是计算三个必须的占空比，其式子如下所示：

最后，根据上部分我们必须确定正确的转换时间。以下的表五，给出了确定关系：

表.5 Tcm1 Tcm2 Tcm3估值转换时间

III. 空间矢量脉宽调制的仿真

在Matlab/Simulink的仿真环境中，我们很容易去实现SVPWM 的运算。图Fig.4 是全部的模型结构。图 Fig. 5 到 Fig. 10时全部模型的部结构。

图Fig.4 是全部的模型结构。