《SVPWM基本原理分析2700字》

SVPWM基本原理分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u20053SVPWM基本原理分析綜述 176421.1SVPWM概述 1140811.2基本電壓空間矢量 2200561.3矢量合成法則 412823（2-15） 5212491.4SVPWM算法模型 51.1SVPWM概述早在上世紀80年代，國外研究人員在交流電動機的調(diào)速中提出了用磁通軌跡控制的思想，開啟了電壓空間矢量技術(shù)的發(fā)展之路。電壓矢量的想法新穎，而且適合數(shù)字化控制，因此很快引起各界關(guān)注。從此慢慢推廣為一種較為嶄新的脈寬控制方法：SVPWM法。算法輸入三相正弦電壓來計算輸出PWM波，從根本上說，SVPWM是直接從電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理研究而來，通過直接控制磁鏈圓的產(chǎn)生，磁鏈圓由電壓矢量確定，電壓矢量主要由基本矢量合成所得。平均值等效原理是：在開關(guān)周期內(nèi)，對六個基本電壓矢量進行矢量相加，使其求和平均值與參考電壓矢量等效。具體來說，旋轉(zhuǎn)的空間電壓處于相鄰基本電壓矢量之間時，合成值就是圍成此扇區(qū)的兩個電壓矢量對應(yīng)相應(yīng)時間的積分。將相鄰基本電壓矢量的積分時間等分施加，中間的轉(zhuǎn)換使用任一零矢量緩和，減少開關(guān)元件動作的同時保證合成效果接近參考電壓矢量，從而使合成的電壓空間矢量幅值頂點走過的路徑呈圓形。由逆變器的八種開關(guān)狀態(tài)的組合電壓形成的實際磁通追蹤理想磁通圓，用他們之間的差值來確定三組橋臂的開關(guān)狀態(tài)，從而輸出最終的PWM波形。從實際設(shè)備看，SVPWM算法是三相電壓型逆變器半導體開關(guān)元件的一種給定的開關(guān)觸發(fā)導通順序和作用時間的組合輸出。這種開關(guān)元件的通斷方式與持續(xù)時間的組合將在定子繞組內(nèi)產(chǎn)生三相正弦交流電。這三相電在繞組上的合成就是旋轉(zhuǎn)矢量。SVPWM法的核心思想是用三相交流正弦電壓合成參考電壓，再通過算法將參考電壓分解為實際PWM控制信號，PWM信號控制逆變器開關(guān)狀態(tài)，將逆變器輸入調(diào)制為能合成磁鏈圓的三相電壓。具體過程是將空間位置（與電動機定子繞組類似）與相位都差120°的三相對稱電壓合成參考電壓矢量，這個圓形旋轉(zhuǎn)電壓空間矢量對應(yīng)了定子空間的圓形磁鏈軌跡，而三相逆變器相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)的切換時刻與三角波比較形成PWM信號，用該PWM信號控制產(chǎn)生的實際磁鏈矢量來追蹤目標磁鏈圓[李奉順.基于改進空間矢量的APF電流控制策略研究[D].合肥工業(yè)大學,2017.]。SVPWM是在通過磁鏈追蹤的方式輸出合適波形，等效于SPWM調(diào)制波通過插入零矢量的方式加注了理想的三次諧波。李奉順.基于改進空間矢量的APF電流控制策略研究[D].合肥工業(yè)大學,2017.SVPWM與SPWM技術(shù)的研究表明[李濤,張曉鋒,喬鳴忠.SPWM與SVPWM的宏觀對等性研究[J].中國電機工程學報.2010,30:178~184.]，空間矢量調(diào)制技術(shù)能更有效地利用直流母線電壓，減少諧波失真。本文以電壓型逆變器為例,從電壓矢量合成與分解論述SVPWM算法的工作模式，并驗證SVPWM技術(shù)在逆變技術(shù)上具有較高直流電壓利用率的優(yōu)點。李濤,張曉鋒,喬鳴忠.SPWM與SVPWM的宏觀對等性研究[J].中國電機工程學報.2010,30:178~184.1.2基本電壓空間矢量設(shè)直流母線側(cè)電壓為，逆變器輸出的三相電壓分別加在電機內(nèi)部互差120°定子繞組的軸線上，定義三個大小隨時間作正弦變化、方向一直處于軸線方向的電壓矢量、、，三個矢量在時間相位上同樣互差120°，這三個大小變化的矢量在坐標軸上能合成一個幅值不變、沿著逆時針方向以恒定角速度旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量，這時，根據(jù)電壓矢量與磁鏈分布的關(guān)系，控制電壓空間矢量的合成效果就能產(chǎn)生對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁通量，所以此過程就可以在電機里得到恒定大小的旋轉(zhuǎn)磁場。假設(shè)為三相相電壓幅值，為電源頻率，有： （2-1）則電壓空間矢量 （2-2）電動機輸入三相定子繞組的電流由逆變器輸出電壓決定，也就是由逆變器三組橋臂的6個開關(guān)管的導通狀態(tài)決定，每個橋臂開關(guān)分別有0、1兩種狀態(tài)，上開關(guān)開通/下開關(guān)關(guān)斷時為1；下開關(guān)開通/上開關(guān)關(guān)斷取0，橋臂上下開關(guān)不同時導通。三個橋臂所有導通方式總共有八個組合，為了方便研究三相上下橋臂不同的開關(guān)模式下電壓空間電壓矢量的變化，如圖2-1所示，定義開關(guān)函數(shù)：=1；上橋臂導通=0；下橋臂導通、、不同取值的八種組合包括六個非零矢量、、、、、和兩個零矢量、。圖2-1兩電平三相電壓源逆變器原理圖下面以其中一種開關(guān)組合為例分析，假設(shè)=(100)，根據(jù)等效電路圖2-2可知： （2-3）圖2-2開關(guān)狀態(tài)下等效電路圖 （2-4）我們這里采用等幅值變換有： （2-5）由此我們可以推出八種開關(guān)狀態(tài)下分別對應(yīng)的電壓矢量與輸出的電壓參數(shù)：從表2-1中可以清晰看出逆變器輸出的三相線電壓及相電壓的值。電壓利用率是逆變器輸出側(cè)線電壓基波最大值與輸入直流電壓的比值，顯然SVPWM算法在逆變過程中直流電壓利用率為100%。1.3矢量合成法則SVPWM算法中，矢量組合方式取決于伏秒平衡的原則[袁雷等.現(xiàn)代永磁同步電機控制原理及MATLAB仿真[M].北京航空航天大學出版社,2016.]，矢量在時間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果值和、與（）分別在時間、、（T7）內(nèi)產(chǎn)生的積分效果總和的值相同。幅秒平衡原則用公式表達為：袁雷等.現(xiàn)代永磁同步電機控制原理及MATLAB仿真[M].北京航空航天大學出版社,2016. （2-6） （2-7）作為零矢量時計算方法一致。電壓空間矢量旋轉(zhuǎn)角速度為，旋轉(zhuǎn)一周所需的時間為。若載波頻率是，則頻率比為。這樣將電壓矢量旋轉(zhuǎn)平面分成個區(qū)域，也就是將電壓矢量每次增加的角度是： （2-8）假設(shè)要合成的電壓矢量在第Ⅰ扇區(qū)中圖2-3所示位置，要用合成，由伏秒平衡原則可得：圖2-3第一扇區(qū)矢量合成示意圖 （2-9） （2-10）又： （2-11） （2-12）分別為和零矢量的作用時間。由圖2-3知： （2-13） （2-14）所以得到： （2-15）令，在此處定義為SVPWM的調(diào)制比，一般，為的幅值，時SVPWM調(diào)制深度最大為：，傳統(tǒng)SPWM輸出最大相電壓峰值是，最大調(diào)制比為1。所以SVPWM的最大調(diào)制比較傳統(tǒng)SPWM高0.15。1.4SVPWM算法模型這六個矢量通過控制逆變器功率半導體元件（Mosfet或者IGBT）來控制開關(guān)切換，這些元件在動作過程中會有能耗產(chǎn)生。如圖2-1所示，六個非零矢量在空間中按照4-6-2-3-1-5這個順序排列，其目的是為了減少開關(guān)器件的動作頻率。為了最大程度的降低開關(guān)熱耗與磨損，每個扇區(qū)矢量的變換與開關(guān)狀態(tài)切換，都應(yīng)該做到每次只變動一個橋臂的開關(guān)，使發(fā)熱量減至最小，功率密度更高。電壓空間矢量主要有兩種矢量合成方式，七段式SVPWM算法與五段式SVPWM算法）。以第一扇區(qū)為例：矢量要從0走到，可以有兩條路徑，可以先沿著方向走，然后沿著方向走，再沿著方向走，最后到達，注意分量作用大小要對稱，不能走完了再走，那樣諧波比較大?；蛘呦妊刂?，之后沿著，最后把走完。唯一的區(qū)別是零矢量的插入方式不同，考慮軟件計算的方便，每個扇區(qū)首發(fā)距離零矢量更近的。每個扇區(qū)的合成方式在2-4a中已經(jīng)表示出來[ /michaelf/article/details/94013805[Z].]。 /michaelf/article/details/94013805[Z].完整的開關(guān)周期內(nèi)，七段式SVPWM算法具有以下特點：開關(guān)動作六次，功率器件發(fā)熱量較大，輸出諧波小。五段式SVPWM算法，又被叫做DPWM。由于DPWM在在一個開關(guān)周期里有四次開關(guān)通斷，中間只有一個等分的零矢量。不同扇區(qū)內(nèi)使零矢量不同扇區(qū)可以選擇不同插入位置，因此現(xiàn)在出現(xiàn)了很多新型的模型設(shè)計，每種模式都對開關(guān)器件的損耗和輸出電壓的諧波含量會造成不同的影響。我們這里研究的五段式合成路徑按照圖2-4a的方式。對于七段式算法而言，矢量切換順序?qū)ΨQ分布，減小了逆變器諧波，缺點是在一個開關(guān)周期開關(guān)狀態(tài)變化了六次，對半導體開關(guān)器件要求較高。而五段式SVPWM在每個開關(guān)減少了兩次切換過程，以諧波含量不變的代價降低了開關(guān)損耗，所以DPWM能適應(yīng)更多半導體開關(guān)的性能。五段式SVPWM的各扇區(qū)相鄰矢量作用時序圖如圖2-4b所示[/view/5420a1125f0e7cd184253631.html[Z].]。/view/5420a1125f0e7cd184253631.html[Z].SVPWM算法流程[李剛,林明蘭,何軍輝.基于DSP的SVPWM波實時生成方法[J].現(xiàn)