SVPWM在PMSM電機(jī)控制中的應(yīng)用

蔡婷

摘要：本文主要研究如何用SVPWM波作為信號(hào)源驅(qū)動(dòng)PMSM，介紹了SVPWM的原理，物理意義及理論基礎(chǔ)，扇區(qū)的定義及扇區(qū)判斷，法則推導(dǎo)。通過SVPWM控制方法使電機(jī)獲得理想圓形磁鏈軌跡，從而改善逆變電源的輸出性能及提高逆變電源的可靠性。

關(guān)鍵詞：SVPWM;扇區(qū);圓形磁鏈;性能

前言

電動(dòng)機(jī)的控制策略隨著矢量控制技術(shù)、智能控制技術(shù)的迅猛發(fā)展發(fā)生了很大的變化。傳統(tǒng)的模擬控制方法已逐漸被微處理器、通用計(jì)算機(jī)、DSP控制器等先進(jìn)設(shè)施構(gòu)成的智能控制方法所取代，變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制PWM技術(shù)已成為電動(dòng)機(jī)控制的主流技術(shù)[1]。 其中SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的控制方法，空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation） 實(shí)際上是對(duì)三相電壓源逆變器的六個(gè)功率開關(guān)元件的一種特殊的開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形[2]。SVPWM的繞組電流波形的諧波成分小，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化[3]。

1 SVPWM控制方法應(yīng)用

永磁同步電動(dòng)機(jī)PMSM 相對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來說具有體積小，效率高以及功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，本文介紹了基于SVPWM技術(shù)對(duì)PMSM進(jìn)行控制，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)SVPWM技術(shù)進(jìn)行了研究[4].

2 SVPWM 原理

SVPWM 的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來得到。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成PWM 波形。

3 等效電壓空間矢量

電壓矢量調(diào)制的控制指令是矢量信號(hào)Uref以某一角頻率W在空間逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到矢量圖的某個(gè)扇區(qū)中時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算該區(qū)間所需的基本電壓空間矢量，并以此矢量所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)去驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)元件進(jìn)行動(dòng)作。當(dāng)控制向量在空間旋轉(zhuǎn)360°后，逆變器及能輸出一個(gè)周期的正弦波電壓。逆變器橋臂的上下開關(guān)不考慮死區(qū)時(shí)，上下橋臂的開關(guān)呈互補(bǔ)狀態(tài)，因此逆變器有8種不同的開關(guān)模式，

定義三個(gè)電壓空間矢量Ua（t）、Ub（t）、Uc（t），它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律做變化，時(shí)間相位互差120°。三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量U（t）表示為：

空間矢量U（t）在三相坐標(biāo)軸（a，b，c）上的投影是對(duì)稱的三相正弦量。線電壓經(jīng)過CLARKE變化到α及β坐標(biāo)系下繪制兩相坐標(biāo)系細(xì)下的空間矢量如圖一所示：

在每一個(gè)扇區(qū)，選擇相鄰的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，即：

式中，Uref為電壓矢量;T為采樣周期;Tx，Ty，To分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)非零電壓矢量Ux、Uy和零電壓矢量在一個(gè)采樣周期的作用時(shí)間。

利用以上電壓向量合成的技術(shù)產(chǎn)生三相正弦波電壓。電壓空間向量上，將設(shè)定的電壓向量由U4（100）位置開始，每一次增加一個(gè)小增量，每一個(gè)小增量設(shè)定電壓向量可以用該區(qū)中相鄰的兩個(gè)基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到的設(shè)定電壓向量就等效于一個(gè)在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達(dá)到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的。

4 扇區(qū)判斷

空間矢量調(diào)制的第一步就是確定參考電壓矢量Uref的扇區(qū)位置，然后通過扇區(qū)相鄰的兩個(gè)電壓矢量和零向量合成參考電壓矢量。

通過的度數(shù)與矢量圖的幾何關(guān)系共同分析判定合成電壓矢量落在不同扇區(qū)的充分必要條件，令：

5 SVPWM法則推導(dǎo)

如果要合成向量Uref 在第一扇區(qū)增量為θ的位置，用U4、U6、U0及U7合成，根據(jù)平均值等效及正弦定理可以推導(dǎo)出各矢量的狀態(tài)保持時(shí)間T4，T6，公式推導(dǎo)如下，

因?yàn)?，所以可以得到各矢量的狀態(tài)保持時(shí)間為：

零向量所分配的時(shí)間為T7=T0=（TS-T4-T6）/2. 同理可求得Uref在其它扇區(qū)中各矢量的作用時(shí)間。

一個(gè)開關(guān)周期中空間矢量按分時(shí)方式發(fā)生作用，在時(shí)間上構(gòu)成一個(gè)空間矢量的序列我們以減少開關(guān)次數(shù)為目標(biāo)，在每次開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，只改變其中一相的開關(guān)狀態(tài)，并且對(duì)零矢量在時(shí)間上進(jìn)行平均分配，產(chǎn)生PWM對(duì)稱來降低PWM的諧波分量。

6 結(jié)論

本文研究的基于SVPWM控制PMSM的方法經(jīng)過上述分析表明，采用SVPWM作為信號(hào)源是目前逆變電源控制中比較理想的選擇，優(yōu)點(diǎn)包括電流諧波少，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪音低，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)更逼近圓形，直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，系統(tǒng)的可靠性也得到了很大的提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁斗章，變頻調(diào)速技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用，北京，機(jī)械工業(yè)出版杜，2005.

[2] 蔡卓恩，吳寧?；贒SP的SVPWM變頻調(diào)速的研究[J].電子科學(xué)，2010.02

[3] Trzynadlowshi， A. M. ，Kirlin， L， and Legowski， S. F. .Space-Vector PWM Technique With Minimum Switching Losses And a Variable Pulse Rate[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics， 1997，44（2）.

[4] 王丹. 基于SVPWM技術(shù)的永磁同步電機(jī)在電梯應(yīng)用中的研究[D].河北工業(yè)大學(xué).2013

（沈陽中航機(jī)電三洋制冷設(shè)備有限公司?遼寧?沈陽?110141）