基于三相坐標(biāo)系的SVPWM算法研究與仿真

張磊　李強(qiáng)　王冬　李軍營(yíng)　徐亞美

【摘 要】本文在對(duì)經(jīng)典空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）方法進(jìn)行分析后提出了一種基于三相坐標(biāo)系的兩電平三相電壓源電機(jī)控制器用SVPWM調(diào)制方法。對(duì)經(jīng)典SVPWM算法和基于三相坐標(biāo)系的SVPWM算法進(jìn)行了建模仿真分析。仿真結(jié)果顯示，基于三相坐標(biāo)系的SVPWM算法與經(jīng)典SVPWM算法的A相相電壓調(diào)制波和FFT分析數(shù)據(jù)一致，且不需要計(jì)算扇區(qū)及復(fù)雜的三角函數(shù)運(yùn)算，簡(jiǎn)單易于工程運(yùn)用。

【關(guān)鍵詞】空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）;三相坐標(biāo)系;兩電平逆變器

中圖分類號(hào)： TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）27-0045-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.020

【Abstract】Analyzed on classical space vector pulse-width modulation （SVPWM） algorithm，A? SVPWM algorithm with two-level based on three-phase voltage-source converter is proposed in this study.Simulation models of the two SVPWM algorithms are built and simulated.simulation results show that the new SVPWM are same effects with classical SVPWM algorithm by analyzing the phase voltage modulated wave and FFT data，and also the new SVPWM is easier to operate.

【Key words】Space Vector Pulse-width Modulation）SVPWM;Three-Phase Axes;Two-level converter

0 引言

電機(jī)輸入三相正弦電壓的目的是為了在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而得到恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，正弦脈寬調(diào)制（SPWM）是從電源角度出發(fā)，生成一個(gè)可調(diào)頻調(diào)壓的三相對(duì)稱正弦波電源，未顧及輸出電流的波形，容易產(chǎn)生高次諧波分量，引起電機(jī)發(fā)熱，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大甚至引起系統(tǒng)震蕩。SVPWM從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，著眼于使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通過(guò)對(duì)基本電壓矢量加以組合，通過(guò)控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近圓形軌跡旋轉(zhuǎn)，通過(guò)逆變器的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓，這種控制方法又被稱為“磁鏈跟蹤控制”[1]。相比于正弦脈寬調(diào)制（SPWM），SVPWM具有更高的電壓利用率、諧波分量少、易于數(shù)字化實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，然而經(jīng)典SVPWM進(jìn)行扇區(qū)計(jì)算及對(duì)基本電壓矢量持續(xù)時(shí)間的計(jì)算均需要利用三角函數(shù)等，增加了DSP的運(yùn)行時(shí)間。

1 SVPWM算法

1.1 經(jīng)典SVPWM基本原理

圖1為三相電壓型逆變器示意圖，其輸出相電壓依賴于逆變器三相橋臂功率開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。由于逆變器三相橋臂共有6個(gè)開(kāi)關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開(kāi)關(guān)組合時(shí)逆變器輸出的空間電壓矢量。

圖2為SVPWM的電壓空間矢量示意圖，上下橋臂3對(duì)開(kāi)關(guān)組合對(duì)應(yīng)8個(gè)三相空間電壓矢量，除2條零矢量外，其余6條非零矢量（模為2vdc/3）對(duì)稱均勻分布在復(fù)平面上。對(duì)于任一給定的空間電壓矢量Uref，均可由8條三相空間電壓矢量合成。零矢量不會(huì)改變磁鏈圓形軌跡的形狀，只是改變磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，用來(lái)調(diào)節(jié)矢量作用時(shí)間，Uref在復(fù)平面上勻速旋轉(zhuǎn)，就對(duì)應(yīng)到了三相對(duì)稱的正弦量[2]。

2 仿真結(jié)果分析

基于上述論述，搭建經(jīng)典SVPWM和基于三相坐標(biāo)系的SVPWM模型，在參考電壓、采樣頻率等所有參數(shù)均一致的情況下，對(duì)比兩種SVPWM算法。

圖4為經(jīng)典SVPWM的扇區(qū)計(jì)算，可以看出由扇區(qū)I至扇區(qū)VI變化，符合圖2中扇區(qū)隨電壓矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的特性。圖5為經(jīng)典SVPWM的相電壓調(diào)制波，圖7為基于三相坐標(biāo)系的SVPWM的相電壓調(diào)制波，由圖可知兩種方法得到的相電壓調(diào)制波均為馬鞍波，幅值、相位差和頻率均一致。圖6為經(jīng)典SVPWM的A相相電壓及其FFT分析，圖8為基于三相坐標(biāo)系的SVPWM的A相相電壓及其FFT分析，由FFT分析可知，兩種SVPWM算法得到的A相相電壓基波幅值均為343.6V，THD相差0.03%。

3 結(jié)束語(yǔ)

SVPWM算法相比較SPWM算法電壓利用率提高了15.4%[6]～[7]，然而其運(yùn)算過(guò)程中含有扇區(qū)計(jì)算，矢量作用時(shí)間計(jì)算時(shí)需要用到三角函數(shù)，增加了處理器的運(yùn)算量。本文在經(jīng)過(guò)對(duì)經(jīng)典SVPWM算法進(jìn)行推導(dǎo)后，提出了基于三相坐標(biāo)系的SVPWM算法，并對(duì)兩種算法進(jìn)行了對(duì)比建模仿真分析，仿真結(jié)果表明，基于三相坐標(biāo)系的SVPWM運(yùn)算簡(jiǎn)單，更利于工程應(yīng)用，同時(shí)，兩種方法得到的相電壓調(diào)制波、FFT分析結(jié)果基本一致。

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