空间SVPWM在电机控制中的应用

电压空间矢量SVPWM在电机控制中的应用114110000915黄欢指导老师：李强•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，分析时常用时间相量表示，又考虑到它们所在绕组的空间位置是随时间而变化的，故定义为空间电压矢量；如uA0，uB0，uC0等合成空间矢量02323s000000()()()()()()()jjjABCABCttttUteUteUteuuuu•当电源频率不变时，合成空间矢量us以电源角频率1为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量us就落在该相的轴线上。用公式表示，则有0000sABCUUUU2.电压与磁链空间矢量的关系三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为tRddssssΨIu式中us—定子三相电压合成空间矢量；Is—定子三相电流合成空间矢量；Ψs—定子三相磁链合成空间矢量。•磁链轨迹当电动机由三相对称正弦电压供电时，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）。用矢量表示为tΨ1jmseΨ（5）其中Ψm是磁链Ψs的幅值，1为其旋转角速度。由上式可得)2π(jm1jm1jms111eej)e(ddtttΨΨΨtu（6）上式表明，当磁链幅值一定时，us的大小与ω1（或供电电压频率）成正比，其方向与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向。•磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系图2旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也沿磁链圆的切线方向运动360度。3.六拍阶梯波逆变器与空间旋转磁场（1）电压空间矢量运动轨迹在常规的PWM变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，图3三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图•开关工作状态采用180°导通型，功率开关器件共有8种工作状态，其中6种有效开关状态，2种零状态.（逆变器无输出电压)•定义当上桥臂导通时，开关状态为1，下桥臂导通时开关状态为0。每一时刻的输出电压由三个桥臂的开关状态共同决定。记为us(SA,SB,SC)。开关状态表序号开关状态开关代码1VT6VT1VT21002VT1VT2VT31102VT2VT3VT40104VT3VT4VT50115VT4VT5VT60016VT5VT6VT11017VT1VT3VT51118VT2VT4VT6000（a）开关模式分析•设工作周期从100状态开始，这时VT6、VT1、VT2导通，其等效电路如图所示。各相对直流电源中点的电压幅值为UAO’=Ud/2UBO’=UCO’=-Ud/2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2•开关控制模式u12uAO/3-uCO/3-uBO/3ABC0330s1000211(100)(100)(100)333jjjjABCddddUeUeUeUeuuuu（b）工作状态100的合成电压空间矢量（C）每个周期的六边形合成电压空间矢量随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转/3，直到一个周期结束。u1u2u3u4u5u6u7u8电压空间矢量与磁链矢量的关系六拍逆变器供电时:电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系:11Ψut112iiΨutii1i总之，在一个周期内，6个磁链空间矢量呈放射状，尾部在O点，顶端的运动轨迹也就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。图5逼近圆形时的磁链增量轨迹这时，每段电压空间矢量可以用基本电压矢量线性组合的方法获得。•圆形旋转磁场逼近法控制PWM的开关时间才能逼近圆形旋转磁场图7电压空间矢量的放射形式和6个扇区•电压空间矢量的扇区（Sector）划分首发零矢量的SVPWM作用模式我们这里介绍的SVPWM控制方法中，用于合成的3个输出电压矢量序列，首发电压矢量都是零矢量，这样可以有效地避免扇区切换过程中发生矢量突变。以参考矢量位于扇区Ⅰ为例，采用3个电压矢量U1,U2,U0，其中U0包括U7（000）和U8（111）两种。一般采用首发零矢量U7（000）的方案。当参考矢量位于扇区Ⅰ中，输出矢量的次序为：000→100→110→111→111→110→100→000。当然采用首发零矢量U8（111）也可以，只需把上述输出矢量的次序颠倒一下即可：111→110→100→000→000→100→110→111。如果出于降低开关器件损耗考虑，还可以采用首发其它矢量的PWM模式。关于SVPWM作用模式，有多种方案选择，限于学时，这里不进一步介绍。一个Ts区间内的电压波形（第一个60o扇区）第Ⅰ扇区内的开关序列与逆变器三相电压波形（首发000矢量）也称为电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）工作模式图虚线间的每一小段表示一种工作状态000100110111111110100000UUN′ttts2Ts2T04t12t22t04t04t22t12t04tUVN′UWN′000100110111111110100000U相桥臂状态变化首发零矢量的SVPWM作用模式首发零矢量U7（000）的电压矢量输出顺序表参考电压矢量位置顺序输出的电压矢量扇区I扇区II扇区III扇区IV扇区V扇区VI000，100，110，111，111，110，100，000000，010，110，111，111，110，010，000000，010，011，111，111，011，010，000000，001，011，111，111，011，001，000000，001，101，111，111，101，001，000000，100，101，111，111，101，100，000TS区间内的电压波形（所有6个60o扇区）UVWUVWUVWUVWUVWUVW扇区I扇区II扇区III扇区IV扇区V扇区VI三相电压型全桥逆变器桥臂输出电压波形三相电压型全桥逆变器负载相电压波形（六拍阶梯波）负载中性点电压波形三相桥臂输出状态uUN′uVN′uWN′ooooωtωtωtωtUd/2Ud/2Ud/2Ud/2Ud/2oωtoωtoωtUd/6uNN′uUNuVNuWNUd/32Ud/3Ud/32Ud/32Ud/3Ud/32Ud/32Ud/32Ud/3Ud/3Ud/3Ud/32πUd/6110010011001101100110Ud/21002Ud/32π0100110012Ud/3Ud/6Ud/6101三相桥式PWM型逆变器SVPWM控制器uwuvuu交流电动机UVWUd6路驱动脉冲三相交流输出电压控制电压输入信号