SPWM与SVPWM之比较

精品文档 1欢迎下载 SPWMSPWM 与与 SVPWMSVPWM 之比较之比较 首先 先分别了解 SPWM 和 SVPWM 的原理 SPWM 原理 正弦 PWM 的信号波为正弦波 就是正弦波等效成一系列等幅不等宽的矩形 脉冲波形 其脉冲宽度是由正弦波和三角波自然相交生成的 正弦波波形产生的方法有很多 种 但较典型的主要有 对称规则采样法 不对称规则采样法和平均对称规则采样法三种 第 一种方法由于生成的 PWM 脉宽偏小 所以变频器的输出电压达不到直流侧电压的倍 第二种 方法在一个载波周期里要采样两次正弦波 显然输出电压高于前者 但对于微处理器来说 增 加了数据处理量当载波频率较高时 对微机的要求较高 第三种方法应用最为广泛的 它兼顾 了前两种方法的优点 SPWM 虽然可以得到三相正弦电压 但直流侧的电压利用率较低 最 大是直流侧电压的倍 这是此方法的最大的缺点 SVPWM 原理 电压空间矢量 PWM SVPWM 的出发点与 SPWM 不同 SPWM 调制是从三相交流 电源出发 其着眼点是如何生成一个可以调压调频的三相对称正弦电源 而 SVPWM 是将逆变 器和电动机看成一个整体 用八个基本电压矢量合成期望的电压矢量 建立逆变器功率器件 的开关状态 并依据电机磁链和电压的关系 从而实现对电动机恒磁通变压变频调速 若忽略 定子电阻压降 当定子绕组施加理想的正弦电压时 由于电压空间矢量为等幅的旋转矢量 故 气隙磁通以恒定的角速度旋转 轨迹为圆形 SVPWM 比 SPWM 的电压利用率高 15 这是两者 最大的区别 但两者并不是孤立的调制方式 典型的 SVPWM 是一种在 SPWM 的相调制波中加入 了零序分量后进行规则采样得到的结果 因此 SVPWM 有对应 SPWM 的形式 反之 一些性能优 越的 SPWM 方式也可以找到对应的 SVPWM 算法 所以两者在谐波的大致方向上是一致的 只不 过 SPWM 易于硬件电路实现 而 SVPWM 更适合于数字化控制系统 接下来对 SPWM 和 SVPWM 进行具体的对比 按照波形面积相等的原则 每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等 因而 这个序列的矩形波与期望的正弦波等效 这种调制方法称作正弦波脉宽调制 SPWM 这种 序列的矩形波称作 SPWM 波 精品文档 2欢迎下载 图6 5 uruc u O t O t uo uof uo Ud Ud 单极性 SPWM 图6 6 uruc u O t O t uouof uo Ud Ud 双极性 SPWM 精品文档 3欢迎下载 图 6 20 为三相 PWM 波形 其中 urU urV urW为 U V W 三相的正弦调制波 uc 为双极性三角载波 uUN uVN uWN 为 U V W 三相输出与电源中性点 N 之间的相电压矩形波形 uUV 为输出线电压矩形波形 其脉冲幅值为 Ud 和 Ud uUN为三相输出与电机中点 N 之间的相电压 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 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 而磁链的轨迹是交替是由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 精品文档 4欢迎下载 三相逆变器 异步电动机调速系统主电路原理图 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 这样 在一个周期中 6 个电压空间矢量共转过 2 弧度 形成一个封闭的 正六边形 在一个周期内 6 个磁链空间矢量呈放射状 矢量的尾部都在 O 点 其顶端的运动轨 迹也就是 6 个电压空间矢量所围成的正六边形 精品文档 5欢迎下载 在任何时刻 所产生的磁链增量的方向决定于所施加的电压 其幅值则正比于施加电 压的时间 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 这显然不象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 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 可把逆变器的一个工作周期用 6 个电压空间矢量划分成 6 个区域 称为扇区 Sector 如图所示的 每个扇区对应的时间均为 3 由于逆变器在各扇区的工作 状态都是对称的 分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区 精品文档 6欢迎下载 第 扇区内一段区间的开关序列与逆变器三相电压波形 调制比即为逆变器输出电压与直流母线电压的比值 直流母线电压利用率是指逆变电 路所能输出的交流电压基波最大幅值 Um 和直流电压 Ud 之比 SPWM 中在调制度最大为 1 时 输出相电压的基波幅值为 Ud 2 输出线电压的基波幅值为 直流电压利用率仅 为 0 866 SVPWM 中 输出相电压的基波幅值与输出线电压的基波幅相等值为 直流电 压利用率为 1 SVPWM 比 SPWM 的直流利用率提高了 15 47 SPWM 和 SVPWM 谐波都主要集中在采样频率及其整数倍附近 且谐波幅值的极大值随采 样频率倍数的增大而迅速衰减 从谐波分布趋势上讲 SPWM 相对集中 幅值较大 SVPWM 精品文档 7欢迎下载 则相对分散 幅值较小 由下表 2 计算所得的总谐波畸变率可知 SVPWM 方式输出波形的 谐波含量低于 SPWM 方式 传统的 SPWM 方法从电源的角度出发 以生成一个可调频调压的正弦波电源为目的 SVPWM 方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑 模型比较简单 也便于微处理器 的实时控制 SVPWM 本身的产生原理与 PWM 没有任何关系 只是像罢了 SVPWM 合成的驱动 波形和 PWM 很类似 因此我们还叫它 PWM 又因这种 PWM 是基于电压空间矢量去合成的 所以就叫它 SVPWM 了 综上所述 SVPWM 与 SPWM 的原理和来源有很大不同 但是他们确实殊途同归的 SPWM 由三角波与正弦波调制而成 而 SVPWM 却可以看作由三角波与有一定三次谐波含 量的正弦基波调制而成 相比之下 SVPWM 的主要有以下特点 1 在 精品文档 8欢迎下载 每 个 小 区 间 虽 有 多 次 开 关 切 换 但 每 次 开 关 切 换 只 涉 及 一 个 器 件 所 以 开 关 损 耗 小 2 利用电压空间矢量直接生成三相 PWM 波 计算简单 3 逆 变 精品文档 9欢迎下载 器 输 出 线 电 压 基 波 最 大 值 为 直 流 侧 电 压 比 一 般 的 S P W M 逆 变 器 输 出 电 压 高 1 5 精品文档 10欢迎下载 电电 机机 在非零矢量作用的同时 插入零矢量的作用 让电机的磁链端点 走走停停 这样可 改磁链运行速度 使磁链轨迹近似为一个圆形 从而实现恒磁通变频调速 改变非零矢量 的作用时间与总的作用时间的比值 就改变了输出电压的频率 也改变了输出电压的幅值 将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的转换 Clarke 变换 和将两相静止直角坐 标系向两相旋转直角坐标系的变换 Park 变换 PI 1 确定比例系数 Kp 确定比例系数 Kp 时 首先去掉 PID 的积分项和微分项 可以令 Ti 0 Td 0 使之成为 纯比例调节 输入设定为系统允许输出最大值的 60 70 比例系数 Kp 由 0 开始逐渐增大 直 至系统出现振荡 再反过来 从此时的比例系数 Kp 逐渐减小 直至系统振荡消失 记录此时的比例 系数 Kp 设定 PID 的比例系数 Kp 为当前值的 60 70 2 确定积分时间常数 Ti 比例系数 Kp 确定之后 设定一个较大的积分时间常数 Ti 然后逐渐减小 Ti 直至系统出现振荡 然后再反过来 逐渐增大 Ti 直至系统振荡消失 记录此时的 Ti 设定 PID 的积分时间常数 Ti 为 当前值的 150 180 3 确定微分时间常数 Td 微分时间常数