1、分类号U D Ck 密级学位论文电压空间矢量脉宽调制技术的研究及其实现Research and Realization of SVPWM肖春燕指导老师姓名：董玉盘莲勤堡副熬撞直星太堂信皇王猩堂瞳申请学位级别：砸 专业名称：控割堡诠与撞劐王猩论文提交日期：2QQ生旦 论文答辩日期：2Q堕生且旦学位授予单位和日期：亩星太堂 211笪生县且答辩委员会主席：蓬迹!评阅人： 巡笙幺京嘭侈2005年5月日南昌大学硕士学位论文摘要随着全控型快速半导体自开关器件和智能型高速微控制芯片的发展，数字化PWM成为PWM控制技术发展的趋势。但是传统的sPwM法比较适合模拟电路实现，不适应于现代电力电子技术数字化的发展
2、趋势。电压空间矢量脉宽调制(SpaceVector Pulse Width Modulation，简称SVPWM)控制技术是一种优化了的PWM控制技术，和传统的SPWM法相比，不但具有直流利用率高(LL传统的sPwM法提高了1547)，输出谐波少，控制方法简单等优点，而且易于实现数字化。本文首先对脉宽调制技术盼发展现状进行了综述，在此基础上分析了电压空间矢量脉宽调制技术的发展现状；接着对空间电压矢量脉宽调制技术(SVPWM)的基本原理进行了详细的分析和推导，SVPWM是基于磁链追踪的思想，它以三相对称正弦波电压供电下三相对称电动机定子理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同开关模式下所形成的实际磁链
3、矢量来追踪基准磁链圆的，在追踪的过程中，逆变器的开关模式作适当的切换，从而形成PWM波：然后详细分析了电压空间矢量脉宽调制技术的调制波，虽然SVPWVl法的调制波是隐含的，但是为了揭示SVPWM法与SPWM法的内在联系，需要求出SVPWM在彳坷C坐标系上的等效调制波，也就是将SVPWM的隐含调制波显化；SVPWM实质是一种基于空间矢量在三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种变形SPq讧。文章还详细分析了SVPWM法的基本调制方式，在前人研究的基础上对现有的SVPWM控制算法进行了一些改进，重点分析了过调制和扇区过渡两种特殊情况下的控制算法。利用MATLAB65软件中的动态仿真工具
4、SIMULINK对改进之后的控制算法进行了动态仿真，通过仿真分析验证了改进后控制算法的正确性。在此基础上，建立了SVPWM逆变器供电下异步电动机开环变频调速系统动态仿真模型，详细分析了该情况下系统的动态性能，并与传统SPWM逆变器供电下异步电机开环变频调速系统的动态性能进行了比较，SVPWM逆变器供电下的系统动静态性能良好，电机转矩脉动小，相电流更接近于正弦波。最后，利用上海迅特电子科技有限公司开发的以TMS320LF2407ADSP芯片为核心的IMCD2407电机控制方案实现了SVPWM的控制算法和SVPWM逆变器南昌大学硕士学位论文供电下三相交流异步电动机开环变频调速。重点对实时产生SVP
5、WM波的软件部分进行了设计，实现了SVPWM波的实时生成。关键词：脉宽调制，SVPWM，磁链追踪，SIMULINK，数字信号处理器，IMCD2407南昌大学硕士学位论文AbstractTogether with the continual development of allcontrolled fast semiconductorself-turn-off devices and intelligent hi曲一speed microcontroller,the digitized PWM isbecoming the trend of PWM control technique devel
6、opmentBut the analogal electriccircuit cann 7t realize the traditionaI SPWM method easilyThe traditional SPWM Cannot adapt to the development vend of the digitization of the modem power andelectricSpace-vector pulse width modulation(SVPWM)a kind of supefiofized PWMcontrol technique：achieving the eff
7、ective utilization of the DC supplyvoltage(compared with the traditional SPWM，reduced by 1 547)，having littleharmonic output and the easy control method，furthermore easy to realize thedigitizationThe article presents the developing condition of PWM and SVPWM firstThen thetheory of SVPWM is discussed
8、 in detailThe SVPWM is based on the thought ofmagnetic chain trackingIt makes the ideal magnetic chain circle of threephasedsysmmetry electric motor supplied by three-phased sysmmetry sine wave voltage forbasis，uses the practical magnetic chain vector formed by the different switch modes ofthree-pha
9、sed inverter to track the basic magnetic chain circleDuring the course oftracking，the inverter changes the switch modes properly to form the PWMwavesThen the modulation wave of SVPWM is analyzed in detailThe modulationwave of SVPWM is implicit,but the analogous modulation wave in A-B-C axis needsto
10、be calculated in order to expose the intemal relation of SVPWM and SPWMThatis to show the implicit modulation wave of SVPWMSVPWM actually is atransformed SPWM ruly sampled by the modulation wave which is injected by thezero prefaces based on space vectorsAt the salne time，the basic modulation method
11、 of SVPWM is analyzeddetaillySome improvements are carried in the existed control method of SVPWM onthe basis of fore personS reserchThe improved control method is simulateddynamically by using MATLAB65SIMULINK dynamic simulation sofewareItproved the accuracy of the improved control method by analyz
12、ing the result of塑墨查堂堡主堂竺篓苎simulationThe simulated model ofasynchronous machine variable frequency variablespeed system fed by SVPWM inverter is set upThe dynamic performance of thesystem is analyzed in demil andcompared with SPWM pattem，the SVPWM pattemreduces the torque ripple，improving the speed
13、of reacting as well aS achieving theeffective utilization ofthe DC supply voltage for the inverteAt the last，the SVPWM patcem and the system are realized by IMCD2407 whichcore is TMS320LF2407A DSE The sofeware of producing raalfime SVPWM xNa_ve isdesignedKeywords：PWM，SVPWM，magnetic chain track，SIMUL
14、INK,DSP,1MCD2407南昌大学硕士学位论文附件一：独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：苘杏燕 签字日期：晒年6月S日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 壹量圭鲎 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌
15、文学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：缃痞惑 导师签名：签字口期：弼年6月15日 签字目期学位论文作者毕、lk后去向：江勃名蓝天学陶l。作单位：江西省参泛学融 电话：邮编：日rr秒年踅吖南昌大学硕士学位论文第一章绪论11脉宽调制(PWM)技术发展概况11-1脉宽调制(PWM)技术的发展现状1964年，德国的Aschonung等率先提出了脉宽调制变频IlJ的思想，他们把通讯系统中的调制技术推广应用于交流变频。用这种技术构成的PWM变频器基本上解决了常规六拍阶梯渡变频器
16、中存在的问题，为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。随着全控型快速半导体自开关器件的发展，PWM(Pulse WidthModulation)控制技术得到了快速的发展。PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。PWM控制技术仅用一组就具有调压功能和谐波控制能力，由于它具有输出接近正弦波和输入功率因数高的特点，所以无论对于交流调速还是不停电电源UPS等都极为难得，它有利于简化结构，改善性能和提高效率。由于上述原因，PWM
17、技术颇引入注意，人们对PWM技术进行了深入的研究，得到了许多改进的PWM方法怿1121。图11列出了脉宽调制方法的分类。图11脉宽调制方法分类目前，在PWM控制方法中使用虽多和研究最多的是正弦波PWM，即SPWM方法。为了改善输出波形、减低谐波含量以及优化某项性能指标。人们又将SPWM南昌大学硕士学位论文技术进行了优化和完善，提出了各类新型SPWM方法，图12列出了这些新型力法。正弦脉宽调制方法三角载波调制法正弦阶梯调制波其他优化调制波预定相位法卜_1改进SPWM法V调制法相移PWM法跟踪形PWM法!二!兰竺r_1节蒜菇图1-2常用髓啊M控制方法的分类1、三角载波调制法：目前，这种方法应用最为
18、广泛，正弦调制波(SPWM)是它的基本型，其它形状的调制波主要是为了提高直流电源的利用率并改善输出正弦波形的频谱。它的特点是控制灵活，有快速的动态响应，可以进行瞬时值控制。2、预定相位法：它的主要特点是离线计算出各开关点的时刻和开关器件的通断次序，存于计算机的存储器中，依靠数字电路或计算机来实现要求的波形。由于微机系统体积的缩小，性能价格比的提高，出现了各种形式的相位预定法，其中较有优势的是以下几种：(1)谐波消除法：其思想是控制PWM输出波形中的各个转换时刻，保证昭分之一波形的对称，根据输出波形的傅立叶级数展开式，将要消除的谐波幅值以及要控制的基波幅值组成非线性超越方程组，利用数值方法离线计
19、算出各开关的通断时刻，达到完全消除预定谐波和控制基波幅值的目的。(21改进SPWM法：这类方法有采样式SPWM法、区段面积等值法等，其2南昌大学硕士学位论文实质是将调制波(一般为正弦波)周期分成n等份，在每一等份的触发脉冲宽度上做文章。采样式SPWM法使脉冲宽度正比于该等份的正弦波面积。(3)最优PWM法：这种方法是依据应用的最优准则(谐波电流失真度最小、脉动转矩最小或磁通轨迹最圆等)构造目标函数，利用优化算法离线计算各个开关的通断时刻。预定相位法的共同特点是控制性能好，抗干扰性好，可以最优化，但无法进行瞬时值控制。3、V调制法：又称跟踪PWM法或自适应电流控制PWM，该技术是基于电流控制的，
20、将实际的输出电流与调制波相比较，在电流超出某一规定的滞后区域情况下，控制逆变器反相，使电流衰减，反之亦然，迫使实际电流在所需的滞后区域之内跟踪调制波。4、相移PWM法：以控制输出电压为目的。它将若干个逆变桥在输出端用变压器耦合在一起，依靠调节桥与桥之间的相移角可以控制输出电压。它可以在不增加每台变流器的开关频率的条件下，提高整个系统的等效开关频率。5、电压空间矢量脉宽调制(PWM)技术，又称磁链追踪型PWM，它是从电动机的角度出发，着眼点在于如何使电动机获得圆磁场。它是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果
21、决定逆变器的开关模式，形成PWM波。112脉宽调制(PwM)技术的应用近lO年来由于PWM控制技术可以极其有效地进行谐波抑制，而且它的动态响应好，在频率、效率诸方面有着明显的优点，因而其在电力电子领域得到了广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远的的影响。PWM控制技术在交一直、直直、交交、直交所有四大类交流电路中都已得到了广泛地应用。l、直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，这是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，把直流斩波电路应用于直流电动机调速系统，就构成广泛应用的直流脉宽调速系统。南昌大学硕士学位论文2、交流一交流变流电路中的斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技术
22、在这类电路中应用的代表。目前，其应用都还不多，但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景。3、PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。可以说，正是由于PWM控制技术在逆变电路中的广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。除功率很大的逆变装置外，不用PWM控制的逆变电路己十分少见。可以说PWM控制技术正是赖于在逆变电路的应 用才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。4、PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路。这种技术可以看成逆变电路中PWM控制技术向整流电路的延伸。PWM整流电路已经获得了一些应用，并有良好的应用前景。综上所述，
23、在电气传动中，广泛地应用PwM控制技术，PWM就是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频及控制和消除谐波的目的。随着电气传动系统对其控制性能的要求不断提高，人们对PWM控制技术进行了深入研究：从最初追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通正弦，PWM控制技术得到了不断的创新和完善。12电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术发展概况传统的正弦脉宽调制(SPwM)技术是从电源的角度出发的，其着眼点是如何生成一个可以调频调压的三相对称正弦波电源。常规SPWM法已被广泛地应用于逆变器中，然而常规SPWM不能充分利用馈电给逆变器的直流电
24、压，逆变器最大相电压基波幅值与逆变器直流电压比值为12，即逆变器输出相电压峰值最大为05Ud(Ua椭逆变器的直流电压)，直流利用率低。John采用谐波失真的方法来增加三相PWM逆变器的输出电压，可以使PWM逆变器最大相电压基波幅值增加约15，但该方法的效果并不理想，因此它的实际应用受到很大的限制。并且SPWM逆变器是基于调节脉冲宽度和间隔来实现接近于正弦波的输出电流，这种调节会产生菜些高次谐波分量，引起电机发热，转矩脉动过大甚至会造起系统振荡。一些学者在此基础上提出了选择谐波消除法和梯形脉宽调制法南昌大学硕士学位论文(TPWM)旧f7l，但指定谐波消除法运算量大，且占用相当大的内存，实现起来比
25、较困难；TPWM逆变器输出波形中谐波分量比SPWM逆变器还多，结果并不理想。而且，传统的高频三角波与调制波比较生成PwM波的方式适合模拟电路，不适应于现代化电力电子技术数字化的发展趋势。因此，常规SPWM法不能适应高性能全数字控制的交流伺服驱动系统的发展趋势。80年代中期，德国学者HWVan Der Broek等在交流电机调速中提出了磁链轨迹控制的思想131，在此基础上进步发展产生了电压空间矢量脉宽调制(SpaceVector PulseWidth Modulation，简写为SVPWM)的概念。SVPWM，又称磁链追踪型PWM法，它是从电动机的角度出发，其着眼点是如何使电机获得圆磁场。具体地
26、说，它是以三相对称正弦波电压供电下三相对称电动机定子理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同开关模式下所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，在追踪的过程中，逆变器的开关模式作适当的切换，从而形成PWM波。采用空间矢量PWM(SVPWM)算法可使逆变器输出线电压幅值最入达到乩，比常规SPWM法提高了约1547。并且，由于SVPWM有多种调制方式， 所以SVPWM控制方式可以通过改变其调制方式来减少逆变器功率器件开关次数，从而降低功率器件的开关损耗，提高控制性能。在同样的采样频率下，采用开关损耗模式SVPWM法的逆变器的功率器件开关次数比采用常规SVPWM法逆变器的功率器件开关次数减少了13，大大降低了
27、功率器件的开关损耗。SVPWM实质是一种基于空间矢量在三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种变形SPWM，是具有更低的开关损耗的SPWM改进型方法，是一种优化的PWM方法，能明显减少逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降低电机的脉动转矩，且SVPWM其物理概念清晰，控制算法简单，数字化实现非常方便，故目前有替代传统SPWM法的趋势。而随着智能型高速微控制芯片的发展、指令周期的缩短、计算功能的增强及存储容量的增加，使得数字化PWM有了更广阔的应用前景。因此，近些年来电压矢量脉宽调制技术得到了快速地发展，在电气传动的许多方面得到了广泛的应用。1、电压空间矢量PWM法最早是被应用
28、于交流变频调速系统中，采用SVPWM模式的交流变频调速系统较之采用常规SPWM模式的交流调速系统，南昌大学硕士学位论文不仅电机转矩脉动减小了，馈电给逆变器的直流电压利用率提高了；同时定子相电流更接近于正弦波，谐波更少，且采用SVPWM模式的交流变频调速系统其动态性能非常优良。2、目前电压空间矢量PWM法广泛应用在有源滤波器中，它把三相变流器作为一个整体来控制，彳良好地协调了PWM主电路各相间的相互作用。这种控制策略可有效地跟踪指令电流，抑制了负载谐波，显著减小了电源侧电流的电流总畸变率，是一种有效的电流跟踪控制方案。3、电压空间矢量PWM法应用于整流控制系统中，系统具有良好的动态性能，易于数字
29、化实现，既能实现高功率因数，又能使能量双向流动。其最突出的优势是直流利用率较之常规的SPWM控制方法提高了约1547，而且，不同的调制方法将使开关损耗得到不同程度的减小。正是基于上述优点，空间矢量PWM法越来越广泛地应用于整流控制系统中。13课题研究的意义及主要工作众所周知，PWM技术有许多的优点，人们对PWM技术(主要是SPWM技术)进行了深入的研究，得到了许多改进的SPWM方法。衡量SPWM控制方法优劣有很多标志。首先，输出波形中所含谐波的多少是衡量PWM控制方法优劣的基本标志。其次，提高逆变电路的直流电压利用率、减少功率器件的开关次数也是很重要的。直流电压利用率是指逆变电路所能输出的交流
30、线电压基波最大幅值ul。和直流电压翰之比，提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力；减少功率器件的开关次数可以降低开关损耗。因此，人们对SPWM技术进行优化与改善的目的主要在于要尽可能地减少输出波形中的谐波，提高逆变电路的直流利用率，减少功率器件的开关次数。而随着微机技术的发展，指令周期的缩短，计算功能的增强，存储容量的增加，数字化PWM将有更广阔的前景。数字化PWM是PWM控制技术发展的主流方向。但传统的SPWM法比较适合于模拟电路实现，而不适应于现代电力电子技术数字化的发展趋势。故一直以来人们都在努力研制一种新型的易于实现数字化的PWM控制方法。八十年代中期，国外学者H，WVanderB
31、roek等在交流调速中提出磁链轨迹控南昌大学硕士学位论文制的思想，进而发展产生了电压空间矢量脉宽调$4(SVPWM)的概念。SVPWM法是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机的定子的理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同开关模式所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，在追踪过程中，逆变器的开关模式作适当的切换，从而形成PWM波。SVPWM控制技术是一种优化了的PWM控制技术。和传统的SPWM法相比，SVPWM法具有直流利用率高(比传统的SPWM法提高了约15，的，谐波少，控制简单，易于数字化实现等优点。而且电压空间矢量的不同调制方法在不同程度上可以缓解开关频率与开关损耗之间的矛盾问题。正是由于S
32、VPWM控制的这些优点，使得本课题的研究具有现实意义。本文主要要完成以下几项任务：l、详细分析空间电压矢量脉宽调帝rJ(SVPWM)技术的基本原理，重点阐述磁链追踪型PWM法的思想。2、对SVPWM法的基本调制方式进行详细地分析，在此基础上列出SvPWM的两种主要的调制模式并进行比较；同时将SVPWM的隐含调制波显化，揭示出SVPWM法与常规SPwM法的内在联系。3、对SVPWM的控制算法进行详细地分析和推导，在前人研究的基础上对现有的SVPWM的控制算法进行了一些改善，对过调制和扇区过渡两种特殊情况下的控制算法进行了详细地分析和推导。4、利用MATLAB中的SIMULlNK动态仿真工具实现S
33、VPWM控制算法的动态仿真，验证改进之后的SVPWM控制算法的正确性；同时在此基础上建立SVPWM逆变器供电下异步电机开环变频调速系统仿真模型，详细分析了此种情况下系统的动态性能仿真，并将之与常规SPWM逆变器供电下的异步电机开环变频调速系统的动态性能进行比较分析。5、利用上海迅特电子科技有限公司开发的以TMS320LF2407ADSP为核心的MCD2407电机控制方案实现了SVPWM的控制算法，重点对实时产生SVPWM波的软件部分进行设计，实现SVPWM波的实时生成，同时验证此改进之后的控制算法的可行性。7南昌大学硕士学位论文第二章SVPWM技术的理论基础3l4lfs】传统的SPWM控制技术
34、主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，对电流波形一般只能采取间接控制。而在实际应用中，异步电机需要输入电流尽量接近正弦波，从而在空间上形成圆形旋转磁场，产生稳定的电磁转矩。如果对准这一目标，按照跟踪圆形磁场来控制PWM电压，那么控制效果就会更直接；这就是“磁链跟踪控制”的基本思想。磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所以这种方法又叫做“电压空间矢量调制”，即SVPWM。SVPWM技术最初是应用在电机调速领域的，后来扩展成为一种在整流j堇变领域应用广泛的PWM方法。本节将从传统的磁链跟踪角度来介绍SVPWM技术的基本原理。21电压空问矢量的概念电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置来定
35、义的。电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系，如图21。C图21电压空间矢量这是一个特殊的坐标系，A、B、C分别表示在空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差120。，三相定子相电压观、【，c分别加在三相绕组上，可以定义三个电压空间矢量露。、孬。、。，它们的方向始终在各南昌大学硕士学位论文相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差120。假设为相电压有效值，-厂为电源频率，则有：IU(f)=42ucos(2nff)(f)=42Ucos(2万一t一2：7“3) (2-1)lUcO)=42ud cos(2矿t+2万3)假设单位方向矢量p=，”，则三相电压空间矢
36、量相加的合成空间矢量口(f)就可j以表示为：口O)=23U(f)+芦U口(f)+卢2Uc(f)=2u。F。2妒 (2-2)可见r_7(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，为相电压峰值；当频率不变时，以电源角频率=2nf为电气角速度做恒速同步旋转，哪一相电压为最大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线上。22电压矢量与磁链矢量的关系当用三相对称正弦电压向交流电动机供电时，电动机的定子磁链空间矢量幅值恒定，并以恒转速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场(磁链圆)。因此如果有一种方法，使逆变电路能向交流电动机提供可变电源，并能保证电动机形成定子磁链圆，就可以实现交流电动机的变频思想。我们可
37、以按照前面定义电压空间矢量的方法定义电流和磁链的空间矢量j(r)和妒0)。因此有=ed(f)+了de(t)(2-3)当转速不是很低时，定子电阻R的压降相对很小，式(23)可以简化为疗(f)。_de(t)(2-4)at或 矿(f)“JU(t)dt (25)因为 驴(f)=f，。e” (26)所以 口(f)：塑攀：归妒。e，“=(OImeAnJt+x2) (27)at9南昌大学硕士学位论文式(27)说明，当磁链幅值_；f，。一定时，D(f)的大小与成正比，或者说供电电压与频率，成正比，其方向是磁链圆轨迹的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动27r弧度，其运动
38、轨迹和磁链圆重合。这样电动机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题来讨论。23三相逆变器的基本电压矢量图22所示为三相PWM逆变器供电给异步电机的原理图。利用这种逆变器功率开关管的开关状态和顺序组合，以及开关时间的调整，以保证电压空间矢量圆形轨迹为目标，就可以产生谐波少的、且直流电源电压利用率较高的输出。图22中的一虼是6个功率开关管，引入开关函数、&和昆，分别代表三个桥臂的开关状态。_、 、 、 膨曼j_ 弋鳖j_、 圪、 匕、图12三相PWM逆变器异步电动机原理图规定：当上桥臂开关管“开”状态时(此时下桥臂开关管必然是“关”状态)，开关状态为1；当下桥臂开关管“开”状态
39、时(此时上桥臂开关管必然是“关”状态)，开关状态为0。三个桥臂只有“l，和“0”两种状态，因此开关函数(*叫，B，c)是一个二值变量，上桥臂器件导通时Sx=l，下桥臂器件导通时勘=0。(岛，岛，Sc)组合在一起，一共有8种(23=8)基本工作状态，即：100、110、010、011、001、10l、111、000。其中前六个工作状态是有效的，称做非零矢量；后两个工作状态称做零矢量。可以推导出，三相逆变器输出的线电压矢量【阮B UBC UCAl与开关函数南昌大学硕士学位论文SA SBSc7的关系为季三=u。立j1圣 c：-s，三相逆变器输出的相电压矢量【UUcl7与开关状态矢量乳SB Scl7的
40、关系针扛匪刑 B，表2-1开关状态与相电压和线电压的对应关系& 曲 Sc Uc 阮口 UBc UcAO O 0 O O 0 0 0 OO 0 1 一W3 -U3 2U13 O Ua UjO 1 0 一U3 2Ua3 一Ud3 -Ue O0 1 l 一2Udl3 W3 Ua3 一Ud 0 1 0 O 2U43 -Ua3 一u93 Ud O -Udl 0 1 Ud3 -2Ua3 Ua3 一Ua O1 1 0 Ud3 Ud3 2U3 O Ud -Ua1 l l O 0 0 O O O将表21中的八组相电压值代入式(2-2)，就可以求出这些相电压的矢量和相位角，这八个矢量就称为基本电压矢量，可分别命名
41、为uo(ooo)、ux(001)、u2(010)、U3(011)、u4(100)、Us(101)、u6010)、UT(111)，其中、称为零矢量。图23给出TJ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2Udl3)，相邻的矢量间隔600，而两个零矢量幅值为零，位于中心。表21中的线电压和相电压值是在图21所示的三相彳坫一C平面坐标系中。利用clark变换，可将三相ABC平面坐标系中的相电压转换到仅口平面坐标系中去。其转换式为南昌大学硕士学位论文(2-101根据式(210)，可将表21中与开关函数岛、相对应的相电压转换成n胡平面直角坐标系中的分量，转换结果见表2，2和图23。
42、表2-2开关函数与相电压在仅胡坐标系的分量的对应关系函 SB Sc 矢量符号0 0 0 0 0 (，o0 0 1 一扣， 一扛 UIO 1 0 一扛 d 蜴O l l 一昏； O 奶1 0 0 仔。 O U1 O 1 屈。 一曩Ud魄1 l O 居。 居， 阮1 1 1 0 O 从图23在复平面下三搬逆变嚣的基本电压矢量图liiiio皿2笪2一一心虹、叫刈嘭南昌丈学硕士学位论文24磁链跟踪PWM的基本思想如图24所示的三相电压逆变器电路中，如果忽略定子绕组电阻，当定子绕组施加三相理想对称正弦电压时，由于电压合成空间矢量为等幅旋转矢量，故气隙磁通以恒定同步角速度旋转，轨迹为圆。SVPWM法就是以
43、三相对称正弦电压供电时三相对称电动机定子的理想磁链为基准，由三相逆变器不同开关模式所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，在追踪过程中，逆变器的开关模式作适当的切换，从而形成PWM波。图24三相对称正弦波电压驱动三相对称电动机在三相对称正弦电压作用下，对于图24中所示的三相电动机，如果忽略定子绕组的电阻不计，则电动机各相磁链值可由式(21)进行积分得到：肾等咖cz硼肾等s叫z斫一扣 口m肾等瓤2斫+扣将式(2一11)所示三相轴系的磁链进行坐标变换，由图24中所示的三相AB-(轴系变换到图中所示的d-q轴系，其变换式为：南昌大学硕士学位论文，1o鱼甲1J (21 2)将式(2-1 1)代入式(2一
44、12)进行变换，得到d-q轴系的磁链矢量：，=阱K点翻 式中，,-p。为磁链圆的半径：牛等=与 陋其中，厂为电源频率(-z)；U=3虬为电动机线电压有效值(矿)；0=叫=2矽为电角度。由式(2-13)、式(214)可知，当电压频率比gf为常数时，磁链圆半径甲。为常数。这样，NNo(t)的变化，磁链矢量掣幽(9)就形成一个以巴为半径的圆形轨迹，即得N-个理想磁链圆，如图25示。q J0：三 ， 泌汐斡彳矽、：、，f例 0=0二一图25由轴系中磁链矢量及理想磁链圜在磁链追踪型PWM法中，就是以此理想磁链圃为基准圆。磁链矢量与前述的电压空间矢量对应，其大小与对应电压矢量持续的时间以及直流电压观的大小
45、有关。若假定8种电压矢量对应的开关模式持续时间，相等，将不同开关模式时作用于电动机三相绕组上的电压对，进行积分，则可得三相磁链在7_期间，rjiiijiii耻：笪：qII1j鬈L南昌大学硕士学位论文的增量【Y。甲。甲c，将此三相磁链矢量增量(以下简称为磁链矢量)用式(212)中的变换阵，由A-BC三个轴系变换到d-q轴系，可得图26中所示d-q轴系的8种磁链矢量，其大小可表示为：州肛一a嚣 p0一鼽峭=r誓加=誓r。 I口A甲(100)AP01 o)一Ae0 4w(ooo) 乓甲(111) 76F x甲(010) 、王，r0(A。F(01 1)图26逆变器驱动时电动机的磁链矢量以上是假定6种非
46、零矢量开关模式下，、71都相等。而实际上，各种开关模式下，中间直流电压不一定是一个定值，积分时间，也不要求必须是一个定值。当或者T不同时，图26中各磁链矢量的大小自然也不同。将图25所示理想磁链圆作为基准圆，适当地使用图26中8种磁链矢量追踪基准磁链圆。使用不同的磁链矢量，意味着使用不同的开关模式。开关模式的切换，则形成逆变器输出电压PWM波。不难理解，如果这8种磁链矢量能够很好地追踪基准磁链圆，则逆变器输出三相电压也一定是三相对称的正弦PWM波。这就是这种磁链追踪型PWM法的基本思想。磁链跟踪PWM技术，也就是SVPWM技术，直接追踪基准磁链圆，使得逆变器输出三相电流为三相对称的正弦波，因此
47、这种控制实质上是一种直接电流控制方法。南昌大学硕士学位论文第三章SVPWM技术的调制方式18119131 SVPWM的基本调制算法图31所示为三相逆变器主电路。n一硌为六个普通的功率开关器件，设直流例中点O作为参考点，则上管导通时输出电压为Uj2，下管导通时输出电压为一Ua2。由上章所述可知，由图31所示的=-jiH逆变器共有八种开关状态。代入由park变换定义的电压空间矢量：己，一+=23U。+ej2134us+F一”7u。】=f【，可+f-F口研(3-i)A B cI I I、 、 、 J I J 7一 日。o bZr-_。 2j一 、 _、 巧iII图31三相逆变电路主电路则得到图32所
48、示的基本电压空间矢量图，包括六个有效矢量“魄，长度等于2【V3，以及两个零矢量、奶。(o)z，久互 勰f23ua墨ll滋酝(000)q(11彰 缸Z t y必图32电压空间基本矢量图(100)南昌大学硕士学位论文上一章已经提到，如果式(31)中的、Ub、是频率为CO，相电压峰值等于iu珂l的三相对称三相正弦波：虬=lure“c。s(肼)u。=p町+|c。s(cot一2rr3)(3-2)u。=Iu何+lc。s(cot+2rc3)那么，矢量己k，：就是模长等于相电压峰值，以角速度09(0=-cot)按逆时针方向匀速旋转的空间矢量。利用逆变器的八个基本矢量可以合成任意角度和模长的参考矢量广。但是由于逆变器实际所能产生的矢量(有效矢量和零矢量)有限，不可能输出角速度连续变化的空间矢量。为获得旋转的空间矢量，只能利用各矢量的作用时间不同来等效地合成所需要的矢量。一个正弦周期内发出的合成矢量越多，意味着开关频率越高。从图32可以看出，6个非零矢量将整个平面分成6个扇区。以扇区I为例，利用最近的两个相邻有效矢量乩、魄和零矢量合成参考矢量Lk，：l，等效矢量按伏秒平衡原则合成。于是有：【，4+瓦u6+ToUo或(耳u7)=五u一+=正p时kp (33)式中乃、死和或乃分
