SPWM與SVPWM之比較

1、SPWM與SVPWM之比較首先，先分別了解SPWM和SVPWM的原理SPWM原理：正弦PWM的信號(hào)波為正弦波,就是正弦波等效成一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形,其脈沖寬度是由正弦波和三角波自然相交生成的.正弦波波形產(chǎn)生的方法有很多種,但較典型的主要有:對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法、不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法和平均對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法三種.第一種方法由于生成的PWM脈寬偏小,所以變頻器的輸出電壓達(dá)不到直流側(cè)電壓的倍;第二種方法在一個(gè)載波周期里要采樣兩次正弦波,顯然輸出電壓高于前者,但對(duì)于微處理器來(lái)說(shuō),增加了數(shù)據(jù)處理量當(dāng)載波頻率較高時(shí),對(duì)微機(jī)的要求較高;第三種方法應(yīng)用最為廣泛的,它兼顧了前兩種方法的優(yōu)點(diǎn). SPWM雖然可以得到三

2、相正弦電壓,但直流側(cè)的電壓利用率較低, 最大是直流側(cè)電壓的倍,這是此方法的最大的缺點(diǎn). SVPWM原理：電壓空間矢量PWM(SVPWM)的出發(fā)點(diǎn)與SPWM不同,SPWM調(diào)制是從三相交流電源出發(fā),其著眼點(diǎn)是如何生成一個(gè)可以調(diào)壓調(diào)頻的三相對(duì)稱(chēng)正弦電源.而SVPWM是將逆變器和電動(dòng)機(jī)看成一個(gè)整體,用八個(gè)基本電壓矢量合成期望的電壓矢量,建立逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài),并依據(jù)電機(jī)磁鏈和電壓的關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)恒磁通變壓變頻調(diào)速.若忽略定子電阻壓降,當(dāng)定子繞組施加理想的正弦電壓時(shí),由于電壓空間矢量為等幅的旋轉(zhuǎn)矢量,故氣隙磁通以恒定的角速度旋轉(zhuǎn),軌跡為圓形. SVPWM比SPWM的電壓利用率高15%,這是

3、兩者最大的區(qū)別,但兩者并不是孤立的調(diào)制方式,典型的SVPWM是一種在SPWM的相調(diào)制波中加入了零序分量后進(jìn)行規(guī)則采樣得到的結(jié)果,因此SVPWM有對(duì)應(yīng)SPWM的形式.反之,一些性能優(yōu)越的SPWM方式也可以找到對(duì)應(yīng)的SVPWM算法,所以?xún)烧咴谥C波的大致方向上是一致的,只不過(guò)SPWM易于硬件電路實(shí)現(xiàn),而SVPWM更適合于數(shù)字化控制系統(tǒng).接下來(lái)對(duì)SPWM和SVPWM進(jìn)行具體的對(duì)比。按照波形面積相等的原則，每一個(gè)矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個(gè)序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱(chēng)作正弦波脈寬調(diào)制（SPWM），這種序列的矩形波稱(chēng)作SPWM波。單極性SPWM雙極性SPWM圖6-20

4、為三相PWM波形，其中nurU 、urV 、urW為U，V，W三相的正弦調(diào)制波，uc為雙極性三角載波；nuUN 、uVN 、uWN 為U，V，W三相輸出與電源中性點(diǎn)N之間的相電壓矩形波形；nuUV為輸出線電壓矩形波形，其脈沖幅值為+Ud和-Ud ；uUN為三相輸出與電機(jī)中點(diǎn)N之間的相電壓。經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波，并未顧及輸出電流的波形。而電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之在正弦波附近變化，這就比只要求正弦電壓前進(jìn)了一步。然而交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。如果對(duì)準(zhǔn)這一目標(biāo)，把逆變器和

5、交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制逆變器的工作，其效果應(yīng)該更好。這種控制方法稱(chēng)作“磁鏈跟蹤控制”，而磁鏈的軌跡是交替是由使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱(chēng)“電壓空間矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。三相逆變器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖隨著逆變器工作狀態(tài)的切換，電壓空間矢量的幅值不變，而相位每次旋轉(zhuǎn)/3，直到一個(gè)周期結(jié)束。這樣，在一個(gè)周期中6個(gè)電壓空間矢量共轉(zhuǎn)過(guò)2 弧度，形成一個(gè)封閉的正六邊形。在一個(gè)周期內(nèi)，6個(gè)磁鏈空間矢量呈放射狀，矢量的尾部都在O點(diǎn)，其頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡也就是6個(gè)電壓空間矢量所圍成的正六邊形。在任何時(shí)刻，所產(chǎn)生的磁鏈增量的方向

6、決定于所施加的電壓，其幅值則正比于施加電壓的時(shí)間。如果交流電動(dòng)機(jī)僅由常規(guī)的六拍階梯波逆變器供電，磁鏈軌跡便是六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這顯然不象在正弦波供電時(shí)所產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)那樣能使電動(dòng)機(jī)獲得勻速運(yùn)行。如果要逼近圓形，可以增加切換次數(shù)，設(shè)想磁鏈增量由圖中的Dy11 ， Dy12 ， Dy13 ， Dy14 這4段組成。這時(shí)，每段施加的電壓空間矢量的相位都不一樣，可以用基本電壓矢量線性組合的方法獲得。 可把逆變器的一個(gè)工作周期用6個(gè)電壓空間矢量劃分成6個(gè)區(qū)域，稱(chēng)為扇區(qū)（Sector），如圖所示的、，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的時(shí)間均為p/3。由于逆變器在各扇區(qū)的工作狀態(tài)都是對(duì)稱(chēng)的，分析一個(gè)扇區(qū)的方法可以推廣到其他

7、扇區(qū)。 第扇區(qū)內(nèi)一段區(qū)間的開(kāi)關(guān)序列與逆變器三相電壓波形調(diào)制比即為逆變器輸出電壓與直流母線電壓的比值，直流母線電壓利用率是指逆變電路所能輸出的交流電壓基波最大幅值Um和直流電壓Ud之比。SPWM中在調(diào)制度最大為1時(shí)，輸出相電壓的基波幅值為Ud/2，輸出線電壓的基波幅值為，直流電壓利用率僅為0.866。SVPWM中，輸出相電壓的基波幅值與輸出線電壓的基波幅相等值為，直流電壓利用率為1。SVPWM比SPWM的直流利用率提高了15.47%。SPWM和SVPWM諧波都主要集中在采樣頻率及其整數(shù)倍附近，且諧波幅值的極大值隨采樣頻率倍數(shù)的增大而迅速衰減。從諧波分布趨勢(shì)上講，SPWM相對(duì)集中，幅值較大：SVP

8、WM則相對(duì)分散，幅值較小。由下表2計(jì)算所得的總諧波畸變率可知，SVPWM方式輸出波形的諧波含量低于SPWM方式。傳統(tǒng)的SPWM方法從電源的角度出發(fā)，以生成一個(gè)可調(diào)頻調(diào)壓的正弦波電源為目的。SVPWM方法將逆變系統(tǒng)和異步電機(jī)看作一個(gè)整體來(lái)考慮，模型比較簡(jiǎn)單，也便于微處理器的實(shí)時(shí)控制。SVPWM本身的產(chǎn)生原理與PWM沒(méi)有任何關(guān)系，只是像罷了，SVPWM合成的驅(qū)動(dòng)波形和PWM很類(lèi)似，因此我們還叫它PWM，又因這種PWM是基于電壓空間矢量去合成的，所以就叫它SVPWM了。 綜上所述，SVPWM與SPWM的原理和來(lái)源有很大不同，但是他們確實(shí)殊途同歸的。SPWM由三角波與正弦波調(diào)制而成，而SVPWM卻可以

9、看作由三角波與有一定三次諧波含量的正弦基波調(diào)制而成。相比之下，SVPWM的主要有以下特點(diǎn)： 1）在每個(gè)小區(qū)間雖有多次開(kāi)關(guān)切換，但每次開(kāi)關(guān)切換只涉及一個(gè)器件，所以開(kāi)關(guān)損耗小。 2）利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計(jì)算簡(jiǎn)單。 3）逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，比一般的SPWM逆變器輸出電壓高15%電機(jī)在非零矢量作用的同時(shí)，插入零矢量的作用，讓電機(jī)的磁鏈端點(diǎn)“走走停?！?，這樣可改磁鏈運(yùn)行速度，使磁鏈軌跡近似為一個(gè)圓形，從而實(shí)現(xiàn)恒磁通變頻調(diào)速。改變非零矢量的作用時(shí)間與總的作用時(shí)間的比值，就改變了輸出電壓的頻率，也改變了輸出電壓的幅值將三相平面坐標(biāo)系向兩相平面直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換（Clarke變換）和將兩相靜止直角坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系的變換（Park變換）PI(1)確定比例系數(shù)Kp確定比例系數(shù)Kp時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，可以令Ti=0、Td=0，使之成為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許輸出最大值的6070，比例系數(shù)Kp由0開(kāi)始逐漸增大，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例系數(shù)Kp逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的比例系數(shù)Kp，設(shè)定PID的比例系數(shù)Kp為當(dāng)前值的6070。(2)確定積分時(shí)間常數(shù)Ti比例系數(shù)Kp確定之后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，然后再反過(guò)來(lái)，逐漸增