基于三相坐標系的SVPWM算法研究與仿真

張磊　李強　王冬　李軍營　徐亞美

【摘 要】本文在對經(jīng)典空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）方法進行分析后提出了一種基于三相坐標系的兩電平三相電壓源電機控制器用SVPWM調(diào)制方法。對經(jīng)典SVPWM算法和基于三相坐標系的SVPWM算法進行了建模仿真分析。仿真結(jié)果顯示，基于三相坐標系的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，且不需要計算扇區(qū)及復(fù)雜的三角函數(shù)運算，簡單易于工程運用。

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

中圖分類號： TM464 文獻標識碼： A 文章編號： 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，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)，生成一個可調(diào)頻調(diào)壓的三相對稱正弦波電源，未顧及輸出電流的波形，容易產(chǎn)生高次諧波分量，引起電機發(fā)熱，轉(zhuǎn)矩脈動過大甚至引起系統(tǒng)震蕩。SVPWM從電動機的角度出發(fā)，著眼于使電機獲得幅值恒定的圓形磁場，以三相對稱正弦波電壓供電時的理想圓形磁通軌跡為基準，在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，通過控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近圓形軌跡旋轉(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)字化實施等優(yōu)點，然而經(jīng)典SVPWM進行扇區(qū)計算及對基本電壓矢量持續(xù)時間的計算均需要利用三角函數(shù)等，增加了DSP的運行時間。

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關(guān)的狀態(tài)。由于逆變器三相橋臂共有6個開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時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對開關(guān)組合對應(yīng)8個三相空間電壓矢量，除2條零矢量外，其余6條非零矢量（模為2vdc/3）對稱均勻分布在復(fù)平面上。對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，用來調(diào)節(jié)矢量作用時間，Uref在復(fù)平面上勻速旋轉(zhuǎn)，就對應(yīng)到了三相對稱的正弦量[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，對比兩種SVPWM算法。

圖4為經(jīng)典SVPWM的扇區(qū)計算，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

SVPWM算法相比較SPWM算法電壓利用率提高了15.4%[6]～[7]，然而其運算過程中含有扇區(qū)計算，矢量作用時間計算時需要用到三角函數(shù)，增加了處理器的運算量。本文在經(jīng)過對經(jīng)典SVPWM算法進行推導(dǎo)后，提出了基于三相坐標系的SVPWM算法，并對兩種算法進行了對比建模仿真分析，仿真結(jié)果表明，基于三相坐標系的SVPWM運算簡單，更利于工程應(yīng)用，同時，兩種方法得到的相電壓調(diào)制波、FFT分析結(jié)果基本一致。

【參考文獻】

[1]王成元，夏加寬，孫宜標.現(xiàn)代電機控制技術(shù)[M].北京：北京工業(yè)出版社，2010.

[2]趙賀，林海雪.論電工領(lǐng)域中對alpha-beta轉(zhuǎn)換的誤用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（11）：2997-3000.

[3]徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[4]周衛(wèi)平，吳正國，唐勁松.SVPWM的等效算法及SVPWM與SPWM的本質(zhì)聯(lián)系[J].中國電機工程學報，2006，26（2）：133-137.

[5]Texas Instruments.Space-vector PWM with TMS320C24x Using H/W &S/W Determined Switching Patterns.1999.

[6]袁登科，徐延?xùn)|，李秀濤.永磁同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[7]袁雷，胡冰新等.現(xiàn)代永磁同步電機控制原理及MATLAB仿真[M].北京：北京航空航天大學出版社，2016.