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1、空间电压矢量调制SVPWM技术详解SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率 逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波， 能够使输出电流波形尽 可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量 PWM与传统的正弦PWNI不同，它是从三相输出电压的整体效果出 发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。SVPWM技术与 SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降 低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提 高，且更易于实现数字化。下面将对该算法进行详细分析阐述。1.1 SVPWM基本原理SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周
2、期内通 过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某 个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻 的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时 间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时 间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态 所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆 变器的开关状态，从而形成PWM波形。逆变电路如图11示。设直流母线侧电压为Ude,逆变器输出的三相相电压为Ua、Ub、 Uc,其分别加在空间上互差120的三相平面静止坐标系上，可以定 义三个电压空间矢量UA(t). UB(
3、t)、Uc(t),它们的方向始终在各相的 轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差120。假设Um为相电压有效值，f为电源频率，则有:乙二乙cos(e) UBf) = Ug cos(e - 2兀 / 3)(1-1)Ucf) - Um cos(0 + 2tt / 3)其中，0 = 2nft,则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量U(t) 就可以表示为：/)=乙 + 52山 + 5 严=(1-2) 可见U(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值为相电压峰值的1.5倍， Um为相电压峰值，且以角频率3=2兀f按逆时针方向匀速旋转的空间 矢董，而空间矢董U(t)在三相坐标轴(a, b, c)上的
4、投影就是对称的 三相正弦量。第#页共19页第#页共19页由于逆变器三相桥臂共有6个开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，特定义开关函数Sxx- a. c)为:1上桥臂导通0下桥臂导通(1-3)第#页共19页第#页共19页(Sa、Sb、Sc)的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢量Ui(OOl).第#页共19页第#页共19页U?(010)、U3(011). 5(100)、U5(101)、5(110)、和两个零矢量 Uo(000).U7(lll),下面以其中一种开关组合为例分析，假设Sr(x= a、b (100),此时(1-4)求解上述方程可得：UaN=2Ud/3、U
5、bN二Ud/3、UcN二Ud/3。同理可 计算出其它各种组合下的空间电压矢量，列表如下:表11开关状态与相电压和线电压的对应关系SaSbSc矢量符号线电压相电压UbUbcUc,UbNUcN000U0000000100u4Ude00110U6UdeUde0010U20UdeUde-扣011U30UdeUde-U 3 001TJi00Tide101U5Ude0Ude01115000000图13给出了八个基本电压空间矢量的大小和位置其中非零矢量的幅值相同(模长为25/3),相邻的矢量间隔60，而 两个零矢量幅值为零，位于中心。在每一个扇区，选择相邻的两个电 压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成
6、每个扇区内的任意电 压矢量，即：；%心：5+ J；乙刃+匸+刁久刃 (1勺 或者等效成下式：UJT 二 U/T： Uy T严UM(1-6)其中，u“f为期望电压矢量；T为釆样周期；Tx. Ty、To分别为 对应两个非零电压矢量U、Uy和零电压矢量Uo在一个采样周期的 作用时间；其中Uo包括了 5和5两个零矢量。式(16)的意义是， 矢量Urcf在T时间内所产生的积分效果值和Ux、Uy、Uo分别在时 间G、Ty、To内产生的积分效果相加总和值相同。由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电 压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹将是如图1-3所示的圆形。所以要产生三相正弦
7、波电压，可以利用以上电压向 量合成的技术，在电压空间向量上，将设定的电压向量由U4(100)位 置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可以用 该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此所得到 的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电 压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。12 SVPWM法则推导三相电压给定所合成的电压向量旋转角速度为=旋转一周所需的时间为r=i/；若载波频率是则频率比为 R =。这样将电压旋转平面等切割成7?个小增量，亦即设定电压向量每次增量的角度是： g =曲二2兀/7?二2 fl fs - 2n7 / T(1-7)U
8、化广 Ts=UfT严 UQT.图14电压空间向量在第I区的合成与分解今假设欲合成的电压向量U“f在第1区中第一个增量的位置， 如图14所示，欲用U4、U6、Uo及U7合成，用平均值等效可得：(1-8)在两相静止参考坐标系(a,D)中，令Uref和U4间的夹角是0, 由正弦定理第#页共19页可得:二牙+ 才I COSy=务711扌(1-9)第#页共19页第#页共19页因为|U4|=|U6|=2Udc/3 ,所以可以得到各矢童的状态保持时间为:71- 爲sin(亍-0)aio)第#页共19页第#页共19页式中m为SVPWM调制系数，品卩。(调制比=调制波基波峰值/载波基波峰值)而零电压向量所分配的
9、时间为:(Ml)Tt=To=(Ts-T4-T6)/2Tt=(Ts-T4-T5)(1-12)得到以U4、U6. U7及Uo合成的Urcf的时间后，接下来就是 如何产生实际的脉宽调制波形。在SVPWM调制方案中，零矢量的 选择是最具灵活性的，适当选择零矢量，可最大限度地减少开关次数， 尽可能避免在负载电流较大的时刻的开关动作，最大限度地减少开关 损耗。一个开关周期中空间矢量按分时方式发生作用，在时间上构成一 个空间矢量的序列，空间矢量的序列组织方式有多种，按照空间矢量 的对称性分类，可分为两相开关换流与三相开关换流。下面对常用的 序列做分别介绍。1.2.17 段式 SVPWM我们以减少开关次数为目
10、标，将基本矢量作用顺序的分配原则选 定为：在每次开关状态转换时，只改变其中一相的开关状态。并且对 零矢量在时间上进行了平均分配，以使产生的PWM对称，从而有效地降低PWM的谐波分量。当U4(100)切换至Uo(OOO)时，只需改变A相上下一对切换开关，若由U4(100)切换至U7(lll)则需改变B、C相上下两对切换开关，增加了一倍的切换损失。因此要改变电压向量 5(100)、5(010)、Ui(001)的大小，需配合零电压向量Uo(000)，而要改变U6(110)、U3(011)、5(100), 需配合零电压向量U7(lll)o这样通过在不同区间内安排不同的开关切换顺序，就可以获得对称的输出
11、波形，其它各扇区的开关切换顺序如表12所示。表1-2 Uref所在的位置和开关切换顺序对照序IV 区(180 0 240 ).0-1-3-7-7-3-1 -0 - X001 10011! * ： 1100011111111111 1 1111jti:斗厂斗-厂U-八1111-TI 0V 区(240 0 1 1 1 1 r.01 1 1 1 000o0011111|1|a 11|1111111113、：斗J斗11!10VI 区( 300。 0 360 )0-4-5-7-7-5-4-0 -tVt00i0 010 1 0| 10I01111 111 1 1 1111:斗-厂 斗1110 1 0111
12、11以第I扇区为例，其所产生的三相波调制波形在时间Ts时段中 如图所示，图中电压向量出现的先后顺序为Uo、U4、U6、U7、U6、 U4.U0,各电压向量的三相波形则与表1-2中的开关表示符号相对应。 再下一个Ts时殳，Uref的角度增加一个利用式(19)可以重新 计算新的To、T4、T6及T7值，得到新的合成三相类似新的三相波 形；这样每一个載波周期Ts就会合成一个新的矢量，随着e的逐渐 增大，Uref将依序进入第I、II、III、IV、V、VI区。在电压向量旋 转一周期后，就会产生R个合成矢量。1.2.2 5 段式 SVPWM对7段而言，发波对称，谐波含量较小，但是每个开关周期有6 次开关
13、切换，为了进一步减少开关次数，釆用每相开关在每个扇区状 态维持不变的序列安排，使得每个开关周期只有3次开关切换，但是 会增大谐波含量。具体序列安排见下表。表1-3 Uref所在的位置和开关切换顺序对照序VI 区( 300 0 360 ) 4-5*7-7-5-4 -I- 0 1 1110 1 0 11111 010| 01111011111 I 10111111111111113SVPWM控制算法通过以上SVPWNI的法则推导分析可知要实现SVPWM信号的 实时调制，首先需要知道参考电压矢量U“f（期望电压矢量）所在的区间位置，然后利用所在扇区的相邻两电压矢量和适当的零矢量来合成 参考电压矢量。图14是在静止坐标系（ex,。）中描述的电压空间矢量 图，电压矢量调制的控制指令是矢量控制系统给出的矢量信号Urrf,它以某一角频率3在空间逆时针旋转，当旋转到矢量图的某个60扇区中时，系统计算该区间所需的基本电压空间矢量，并以此矢量所对应的状态去驱动功率开关元件动作.当控制矢量在空间旋转360。后，逆变器就能输出一个周期的正弦波电压。1.3.1合成矢量Um所处
