SVPWM在PMSM電機控制中的應用

蔡婷

摘要：本文主要研究如何用SVPWM波作為信號源驅動PMSM，介紹了SVPWM的原理，物理意義及理論基礎，扇區的定義及扇區判斷，法則推導。通過SVPWM控制方法使電機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。

關鍵詞：SVPWM;扇區;圓形磁鏈;性能

前言

電動機的控制策略隨著矢量控制技術、智能控制技術的迅猛發展發生了很大的變化。傳統的模擬控制方法已逐漸被微處理器、通用計算機、DSP控制器等先進設施構成的智能控制方法所取代，變頻技術和脈寬調制PWM技術已成為電動機控制的主流技術[1]。 其中SVPWM是近年發展的一種比較新穎的控制方法，空間矢量脈寬調制SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation） 實際上是對三相電壓源逆變器的六個功率開關元件的一種特殊的開關觸發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，使得電機轉矩降低，旋轉磁場更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實現數字化[3]。

1 SVPWM控制方法應用

永磁同步電動機PMSM 相對感應電動機來說具有體積小，效率高以及功率密度大等優點，本文介紹了基于SVPWM技術對PMSM進行控制，對關鍵技術SVPWM技術進行了研究[4].

2 SVPWM 原理

SVPWM 的理論基礎是平均值等效原理，在某個時刻，電壓矢量旋轉到某個區域中，可由組成這個區域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉，通過逆變器的不同開關狀態所產生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結果來決定逆變器的開關狀態，從而形成PWM 波形。

3 等效電壓空間矢量

電壓矢量調制的控制指令是矢量信號Uref以某一角頻率W在空間逆時針旋轉，當旋轉到矢量圖的某個扇區中時，系統計算該區間所需的基本電壓空間矢量，并以此矢量所對應的狀態去驅動功率開關元件進行動作。當控制向量在空間旋轉360°后，逆變器及能輸出一個周期的正弦波電壓。逆變器橋臂的上下開關不考慮死區時，上下橋臂的開關呈互補狀態，因此逆變器有8種不同的開關模式，

定義三個電壓空間矢量Ua（t）、Ub（t）、Uc（t），它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間按正弦規律做變化，時間相位互差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）在三相坐標軸（a，b，c）上的投影是對稱的三相正弦量。線電壓經過CLARKE變化到α及β坐標系下繪制兩相坐標系細下的空間矢量如圖一所示：

在每一個扇區，選擇相鄰的兩個電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成每個扇區內的任意電壓矢量，即：

式中，Uref為電壓矢量;T為采樣周期;Tx，Ty，To分別對應兩個非零電壓矢量Ux、Uy和零電壓矢量在一個采樣周期的作用時間。

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

4 扇區判斷

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

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

5 SVPWM法則推導

如果要合成向量Uref 在第一扇區增量為θ的位置，用U4、U6、U0及U7合成，根據平均值等效及正弦定理可以推導出各矢量的狀態保持時間T4，T6，公式推導如下，

因為，所以可以得到各矢量的狀態保持時間為：

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

一個開關周期中空間矢量按分時方式發生作用，在時間上構成一個空間矢量的序列我們以減少開關次數為目標，在每次開關狀態轉換時，只改變其中一相的開關狀態，并且對零矢量在時間上進行平均分配，產生PWM對稱來降低PWM的諧波分量。

6 結論

本文研究的基于SVPWM控制PMSM的方法經過上述分析表明，采用SVPWM作為信號源是目前逆變電源控制中比較理想的選擇，優點包括電流諧波少，轉矩脈動小，噪音低，旋轉磁場更逼近圓形，直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實現數字化，系統的可靠性也得到了很大的提高。

參考文獻

[1] 丁斗章，變頻調速技術與系統應用，北京，機械工業出版杜，2005.

[2] 蔡卓恩，吳寧。基于DSP的SVPWM變頻調速的研究[J].電子科學，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技術的永磁同步電機在電梯應用中的研究[D].河北工業大學.2013

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