《SVPWM基本原理分析2700字》

SVPWM基本原理分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u20053SVPWM基本原理分析综述 176421.1SVPWM概述 1140811.2基本电压空间矢量 2200561.3矢量合成法则 412823（2-15） 5212491.4SVPWM算法模型 51.1SVPWM概述早在上世纪80年代，国外研究人员在交流电动机的调速中提出了用磁通轨迹控制的思想，开启了电压空间矢量技术的发展之路。电压矢量的想法新颖，而且适合数字化控制，因此很快引起各界关注。从此慢慢推广为一种较为崭新的脉宽控制方法：SVPWM法。算法输入三相正弦电压来计算输出PWM波，从根本上说，SVPWM是直接从电机产生转矩的原理研究而来，通过直接控制磁链圆的产生，磁链圆由电压矢量确定，电压矢量主要由基本矢量合成所得。平均值等效原理是：在开关周期内，对六个基本电压矢量进行矢量相加，使其求和平均值与参考电压矢量等效。具体来说，旋转的空间电压处于相邻基本电压矢量之间时，合成值就是围成此扇区的两个电压矢量对应相应时间的积分。将相邻基本电压矢量的积分时间等分施加，中间的转换使用任一零矢量缓和，减少开关元件动作的同时保证合成效果接近参考电压矢量，从而使合成的电压空间矢量幅值顶点走过的路径呈圆形。由逆变器的八种开关状态的组合电压形成的实际磁通追踪理想磁通圆，用他们之间的差值来确定三组桥臂的开关状态，从而输出最终的PWM波形。从实际设备看，SVPWM算法是三相电压型逆变器半导体开关元件的一种给定的开关触发导通顺序和作用时间的组合输出。这种开关元件的通断方式与持续时间的组合将在定子绕组内产生三相正弦交流电。这三相电在绕组上的合成就是旋转矢量。SVPWM法的核心思想是用三相交流正弦电压合成参考电压，再通过算法将参考电压分解为实际PWM控制信号，PWM信号控制逆变器开关状态，将逆变器输入调制为能合成磁链圆的三相电压。具体过程是将空间位置（与电动机定子绕组类似）与相位都差120°的三相对称电压合成参考电压矢量，这个圆形旋转电压空间矢量对应了定子空间的圆形磁链轨迹，而三相逆变器相应开关状态的切换时刻与三角波比较形成PWM信号，用该PWM信号控制产生的实际磁链矢量来追踪目标磁链圆[李奉顺.基于改进空间矢量的APF电流控制策略研究[D].合肥工业大学,2017.]。SVPWM是在通过磁链追踪的方式输出合适波形，等效于SPWM调制波通过插入零矢量的方式加注了理想的三次谐波。李奉顺.基于改进空间矢量的APF电流控制策略研究[D].合肥工业大学,2017.SVPWM与SPWM技术的研究表明[李涛,张晓锋,乔鸣忠.SPWM与SVPWM的宏观对等性研究[J].中国电机工程学报.2010,30:178~184.]，空间矢量调制技术能更有效地利用直流母线电压，减少谐波失真。本文以电压型逆变器为例,从电压矢量合成与分解论述SVPWM算法的工作模式，并验证SVPWM技术在逆变技术上具有较高直流电压利用率的优点。李涛,张晓锋,乔鸣忠.SPWM与SVPWM的宏观对等性研究[J].中国电机工程学报.2010,30:178~184.1.2基本电压空间矢量设直流母线侧电压为，逆变器输出的三相电压分别加在电机内部互差120°定子绕组的轴线上，定义三个大小随时间作正弦变化、方向一直处于轴线方向的电压矢量、、，三个矢量在时间相位上同样互差120°，这三个大小变化的矢量在坐标轴上能合成一个幅值不变、沿着逆时针方向以恒定角速度旋转的电压空间矢量，这时，根据电压矢量与磁链分布的关系，控制电压空间矢量的合成效果就能产生对应的旋转磁通量，所以此过程就可以在电机里得到恒定大小的旋转磁场。假设为三相相电压幅值，为电源频率，有： （2-1）则电压空间矢量 （2-2）电动机输入三相定子绕组的电流由逆变器输出电压决定，也就是由逆变器三组桥臂的6个开关管的导通状态决定，每个桥臂开关分别有0、1两种状态，上开关开通/下开关关断时为1；下开关开通/上开关关断取0，桥臂上下开关不同时导通。三个桥臂所有导通方式总共有八个组合，为了方便研究三相上下桥臂不同的开关模式下电压空间电压矢量的变化，如图2-1所示，定义开关函数：=1；上桥臂导通=0；下桥臂导通、、不同取值的八种组合包括六个非零矢量、、、、、和两个零矢量、。图2-1两电平三相电压源逆变器原理图下面以其中一种开关组合为例分析，假设=(100)，根据等效电路图2-2可知： （2-3）图2-2开关状态下等效电路图 （2-4）我们这里采用等幅值变换有： （2-5）由此我们可以推出八种开关状态下分别对应的电压矢量与输出的电压参数：从表2-1中可以清晰看出逆变器输出的三相线电压及相电压的值。电压利用率是逆变器输出侧线电压基波最大值与输入直流电压的比值，显然SVPWM算法在逆变过程中直流电压利用率为100%。1.3矢量合成法则SVPWM算法中，矢量组合方式取决于伏秒平衡的原则[袁雷等.现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真[M].北京航空航天大学出版社,2016.]，矢量在时间内所产生的积分效果值和、与（）分别在时间、、（T7）内产生的积分效果总和的值相同。幅秒平衡原则用公式表达为：袁雷等.现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真[M].北京航空航天大学出版社,2016. （2-6） （2-7）作为零矢量时计算方法一致。电压空间矢量旋转角速度为，旋转一周所需的时间为。若载波频率是，则频率比为。这样将电压矢量旋转平面分成个区域，也就是将电压矢量每次增加的角度是： （2-8）假设要合成的电压矢量在第Ⅰ扇区中图2-3所示位置，要用合成，由伏秒平衡原则可得：图2-3第一扇区矢量合成示意图 （2-9） （2-10）又： （2-11） （2-12）分别为和零矢量的作用时间。由图2-3知： （2-13） （2-14）所以得到： （2-15）令，在此处定义为SVPWM的调制比，一般，为的幅值，时SVPWM调制深度最大为：，传统SPWM输出最大相电压峰值是，最大调制比为1。所以SVPWM的最大调制比较传统SPWM高0.15。1.4SVPWM算法模型这六个矢量通过控制逆变器功率半导体元件（Mosfet或者IGBT）来控制开关切换，这些元件在动作过程中会有能耗产生。如图2-1所示，六个非零矢量在空间中按照4-6-2-3-1-5这个顺序排列，其目的是为了减少开关器件的动作频率。为了最大程度的降低开关热耗与磨损，每个扇区矢量的变换与开关状态切换，都应该做到每次只变动一个桥臂的开关，使发热量减至最小，功率密度更高。电压空间矢量主要有两种矢量合成方式，七段式SVPWM算法与五段式SVPWM算法）。以第一扇区为例：矢量要从0走到，可以有两条路径，可以先沿着方向走，然后沿着方向走，再沿着方向走，最后到达，注意分量作用大小要对称，不能走完了再走，那样谐波比较大。或者先沿着走，之后沿着，最后把走完。唯一的区别是零矢量的插入方式不同，考虑软件计算的方便，每个扇区首发距离零矢量更近的。每个扇区的合成方式在2-4a中已经表示出来[ /michaelf/article/details/94013805[Z].]。 /michaelf/article/details/94013805[Z].完整的开关周期内，七段式SVPWM算法具有以下特点：开关动作六次，功率器件发热量较大，输出谐波小。五段式SVPWM算法，又被叫做DPWM。由于DPWM在在一个开关周期里有四次开关通断，中间只有一个等分的零矢量。不同扇区内使零矢量不同扇区可以选择不同插入位置，因此现在出现了很多新型的模型设计，每种模式都对开关器件的损耗和输出电压的谐波含量会造成不同的影响。我们这里研究的五段式合成路径按照图2-4a的方式。对于七段式算法而言，矢量切换顺序对称分布，减小了逆变器谐波，缺点是在一个开关周期开关状态变化了六次，对半导体开关器件要求较高。而五段式SVPWM在每个开关减少了两次切换过程，以谐波含量不变的代价降低了开关损耗，所以DPWM能适应更多半导体开关的性能。五段式SVPWM的各扇区相邻矢量作用时序图如图2-4b所示[/view/5420a1125f0e7cd184253631.html[Z].]。/view/5420a1125f0e7cd184253631.html[Z].SVPWM算法流程[李刚,林明兰,何军辉.基于DSP的SVPWM波实时生成方法[J].现