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基于空间矢量调制的直接转矩控制算法研究_张华强

基于空间矢量调制的直接转矩控制算法研究_张华强
基于空间矢量调制的直接转矩控制算法研究_张华强

SVPWM的原理讲解

1空间电压矢量调制SVPWM 技术 SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法,是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波,能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同,它是从三相输出电压的整体效果出发,着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。 SVPWM技术与SPWM相比较,绕组电流波形的谐波成分小,使得电机转矩脉动降低,旋转磁场更逼近圆形,而且使直流母线电压的利用率有了很大提高,且更易于实现数字化。下面将对该算法进行详细分析阐述。 1.1SVPWM基本原理 SVPWM 的理论基础是平均值等效原理,即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合,使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻,电压矢量旋转到某个区域中,可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加,从而控制各个电压矢量的作用时间,使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转,通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆,并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态,从而形成PWM 波形。逆变电路如图 2-8 示。 设直流母线侧电压为Udc,逆变器输出的三相相电压为UA、UB、UC,其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上,可以定义三个电压空间矢量 UA(t)、UB(t)、UC(t),它们的方向始终在各相

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Um 为相电压有效值,f 为电源频率,则有: ?????+=-==) 3/2cos()()3/2cos()()cos()(πθπθθm C m B m A U t U U t U U t U (2-27) 其中,ft πθ2=,则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量 U(t)就可以表示为: θππj m j C j B A e U e U e U U Us 2 3 3/43/2=++= (2-28) 可见 U(t)是一个旋转的空间矢量,它的幅值为相电压峰值的1.5倍,Um 为相电压峰值,且以角频率ω=2πf 按逆时针方向匀速旋转的空间矢量,而空间矢量 U(t)在三相坐标轴(a ,b ,c )上的投影就是对称的三相正弦量。 图 2-8 逆变电路 由于逆变器三相桥臂共有6个开关管,为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量,特定义开关函数 Sx ( x = a 、b 、c) 为: ?? ?=下桥臂导通 上桥臂导通 01x S (2-30) (Sa 、Sb 、Sc)的全部可能组合共有八个,包括6个非零矢量 Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和两个零矢量

新型无扇区空间矢量脉宽调制算法的研究概要

新型无扇区空间矢量脉宽调制算法的研究 李丹 周波 黄佳佳 方斯琛 (南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室, 南京, 210016) 摘要:传统的空间矢量脉宽调制(SVPWM )算法需要进行扇区判断,编程实现复杂。本文提出了一种基于新坐标系下的电压空间矢量脉宽调制的新算法。该算法无需扇区判断即可直接求解三相桥臂开关的占空比;实现了对开关信号的直接求解。与传统调制方法相比,大大简化了数字实现,提高了实时性。仿真及实验结果表明了该方法的正确性和可行性。 关键词:空间矢量脉宽调制;三相逆变器;坐标系;新型调制算法; 1 引 言 在控制电机的三相逆变器中,空间矢量脉宽调制(SVPWM )和正弦脉宽调制(SPWM )为两种常用调制方式。与SPWM 近似正弦的输出电压不同,SVPWM 的调制方法将逆变器和电机视为一个整体,着眼于使电机实现幅值恒定的旋转磁场。与SPWM 相比,功率器件的开关次数可以减少1/3,直流电压利用率可提高15%,能获得较好的谐波抑制效果,具有快速的响应等特点;并且,SVPWM 调制方式更适合数字实现。 SVPWM 的一系列优点使其得到了广泛应用,但缺点是数字控制复杂,因此许多文献致力于寻找SVPWM 的简化算法[1]~[3]。文献[1] 改变了扇区划分方式,减少了一定的运算步骤;文献[2]使用新的扇区标号判别方法减少了三角运算,提高了运算速度。 以上这些改进一定程度上简化了SVPWM 的数字实现,但由于简化都是针对传统调制算法的具体运算步骤进行的,因此改进有限。本文通过对SVPWM 的本质分析,提出了一种无扇区的全新实现方法。该方法改变了SVPWM 调制算法的实现思想,将整个向量空间视为整体,省略扇区的概念来达到算法的简化,与传统调制方法相比减小了编程难度,提高了运算实时性,有利于数字实现。 2 传统电压空间矢量脉宽调制方法 三相全桥逆变器共八种开关模式,分别对应八个基本电压空间矢量U 0~U 7,如图1所示。两个零矢量U 0、U 7幅值为0,位于原点。其余六个非零矢量幅值相同,相邻矢量间隔60o 。根据非零矢量所在位置将空间划分为六个扇区。空间矢量脉宽调制就是利用U 0~U 7的不同组合,组成幅值相同、相位不同的参考电压矢量U ref ,从而使矢量轨迹尽可能逼进基准圆, U 456Ⅴ T 1/T pwm *U 1 U 1O

空间矢量脉宽调制仿真及其谐波分析

文章编号:1005—7277(2005)01—0011—03 V ol.27,N o.12005,27(1):11~13 电气传动自动化 E L ECTRIC D RIVE AUTOMATI O N 2005年第27卷第1期第11页 空间矢量脉宽调制仿真及其谐波分析 康现伟,于克训,刘志华 (华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉430074) 摘要:在深入分析空间矢量脉宽调制机理的基础上,通过SIMU LINK 给出了其仿真波形,重点对SVPWM 的仿真结果进行了谐波分析,得到了SVPWM 谐波分布的主要特点及影响其谐波分布的几个主要因素,为更有效消除SVPWM 谐波污染提供了理论基础和指导。关键词:空间矢量脉宽调制;谐波;仿真中图分类号:T M921.52 文献标识码:A Simulation and harmonic anal y sis of SVPWM K ANG Xian-wei ,Y U K e-xun ,LIU Zhi-hua (Huazhon g Univ er sit y o f Science and T echnolo gy ,Wuhan 430074,China ) Abstract :Based on the anal y sis of the characteristics of s p ace vector p ulse w idth m odulation (SVPWM ),a series of sim 2ulation w aveforms are illustrated b y the use of S imulink.T he foundational features of the harm onic distributions of SVPWM and the dom inant factors affectin g the distributions are obtained throu g h the anal y sis on the harm onics of the w aveforms ,which p rov ides us theoretical foundation to elim inate the harm onic p ollution.K e y w ords :SVPWM;harm onic ;simulation 1引言 空间矢量脉宽调制(SVPWM )具有线性调制范围宽,直流电压利用率高,易于微处理器实现等优点,它目前被广泛应用于变频器、UPS 、无功补偿器、有源滤波器、储能系统电力变换器等领域。当控制精度要求较高时,必须考虑其谐波问题。 本文首先阐述了空间矢量调制(SVPWM )的基本原理,然后给出了仿真波形,针对空间矢量调制中出现的谐波问题,文章进行了较为详细的分析和论述,得到了影响SVPWM 谐波分布的几个主要因素,从而为其在实际应用中消除谐波污染提供了可靠的理论依据。 2电压空间矢量脉宽调制(SVPWM )原理 对于理想三相正弦系统,电压空间矢量的定义为: V =2/3(V a +V b e j 2π/3+V c e j 4π/3) (1) 对于三相电压源型逆变桥的6个开关,如图1 所示。假设“1”代表上桥臂导通,“0”代表下桥臂导 通,则一共有8种开关模式,分别为V 0(000),V 1(100),V 2(110),V 3(010),V 4(011),V 5(001),V 6(101), V 7(111)。由变换式(1)可得,这8种开关模式在复 平面上分别产生8种电压矢量,其中V 1~V 66个开关模式产生输出电压,而V 0、V 72个开关模式不产生输出电压,称为零矢量。这8个电压矢量将复平 面分为6个区域,如图2所示,按照平行四边形法则,利用这8个空间矢量可以合成在六变形区域内的任何输出电压矢量 。

空间矢量脉宽调制(SVPWM)的开环

采用空间矢量脉宽调制(SVPWM )的开环 VVVF 调速系统的综合实训 一、实验目的 1、理解电压空间矢量脉宽调制(SVPWM )控制的基本原理。 2、熟悉MCKV 电机控制系统的CPU 模块、IPM 模块和机组各部分硬件模块,并确认工作正常。 3、了解SVPWM 变频器运行参数和特性。 二、实验内容: 1、熟悉CCS 编程环境,并在CCS 下编译、下载、运行DSP 软件工程。 2、观察并记录定子磁链周期和频率,并分析他们之间的关系。 3、观测并记录启动时电机定子电流和电机速度波形)(t f i v =与)(t f n =; 三、实验预习要求 1、阅读并掌握三相交流异步电机VVVF 调速系统工作原理。 2、了解电压空间矢量脉宽调制(SVPWM )控制的基本原理。 3、阅读本次实验指导书和实验程序,写好实验预习报告。 4、在MATLAB/Simulinlk 环境中搭好仿真模型,结合本程序LEVEL1功能框图,完成电流速度双闭环系统交流异步电机矢量控制仿真。 四、实验原理 当用三相平衡的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,并以恒速旋转,磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转矢量(磁链圆)。SVPWM 就是着眼于使形成的磁链轨迹跟踪由理想三相平衡正弦波电压源供电时所形成的基准磁链圆,使逆变电路能向交流电动机提供可变频电源,实现交流电动机的变频调速。 现在以实验系统中用的电压源型逆变器为例说明SVPWM 的工作原理。三相逆变器由直流电源和6个开关元件( MOSFET) 组成。图1是电压源型逆变器的示意图。 图1 电压源型逆变器示意图

对于每个桥臂而言,它的上下开关元件不能同时打开,否则会因短路而烧毁元器件。其中A 、B 、C 代表3 个桥臂的开关状态,当上桥臂开关元件为开而下桥臂开关元件为关时定义其状态为1 ,当下桥臂开关元件为开而上桥臂开关元件为关时定义其状态为0。这样A 、 B 、 C 有000 、001 、010 、011 、100 、101 、110 、111共 8种状态。逆变器每种开关状态对应不同的电压矢量,根据相位角不同分别命名为U 0(000)、U 1(100)、U 2(110)、U 3(010)、U 4(011)、U 5(001)、U 6(101)、U 7(111)如图2所示。 图2 基本电压空间矢量 其中U 0(000)和U 7(111)称为零矢量,位于坐标的原点,其他的称为非零矢量,它们幅值相等,相邻的矢量之间相隔60°。如果按照一定顺序选择这六个非零矢量的电压空间矢量进行输出,会形成正六边形的定子磁链,距离要求的圆形磁链还有很大差距,只有选择更多的非零矢量才会使磁链更接近圆形。 SVPWM 的关键在于用8个基本电压空间矢量的不同时间组合来逼近所给定的参考空间电压矢量。在图3中对于给定的输出电压U ,用它所在扇区的一对相邻基本电压x U 和60 x U 来等效。此外当逆变器单独输出零矢量时,电动机的定子磁链矢量是不动的。根据这个特点,可以在载波周期内插入零矢量,调整角频率,从而达到变频目的。 图3 电压空间的线性组合

三维空间矢量原理说明

三维空间矢量原理说明 0 引言 以往有很多关于不同脉宽调制技术的研究,如正弦波PWM 、跟踪型PWM 和空间矢量调制技术等。但这些只局限在αβ二维,而二维调制技术是无法解决三相四线系统中的中线电流问题。随着用户电力技术的发展,应用于三相四线系统中的UPS 和电能质量补偿器将会得到更多的重视。 本文基于中点引出式三桥臂逆变器,提出一种三维空间矢量脉宽调制(3D SVPWM )方法。这种方法不但可以使中点引出式三桥臂逆变器在应用于三相四线系统时能同时补偿三相谐波和中线电流,还具有开关频率低、补偿效果好等优点。 1 三维空间电压矢量的分布 图1所示是一个并联在三相四线系统中的中点引出式三相电压逆变器。 图1所示逆变器其直流侧零线与系统中线相连接。本文所有关于三维空间适量的讨论都将基于这种中点引出式的三桥臂逆变器结构。 图1中,同一桥臂的2个开关的导通与关断是互补的。若用1表示上半桥臂开关导通,-1表示下半桥臂导通,则可定义开关函数为: ?? ?-=下半桥臂导通 上半桥臂导通1 1j S (1) 假定上半桥臂和下半桥臂的直流电压值相等,dc dc2dc1V V V ==, 此时,每个桥臂的输出电压可以表示为: j dc S V =0U (2) 三维αβ0坐标系中的瞬时电压矢量可以利用下式给出的α-β-0变换得到:

????????????????????-- - =???? ??????c b a v v v v v v 212 12 123232 12 1001 32βα (3) 由此,αβ0座标下的瞬时电压矢量可以表示为: ()00312132dc V v n S n S n S ++=ββα α (4) 式中:2/2/c b a S S S S --=α,c b S S S -=β,c b a S S S S ++=0 表1中列出了三维系统中的电压矢量以及经过αβ0变换后在其直角坐标中的参数。 从图2所示的三维视图中可以更清楚地看出电压矢量的分布。其中矢量},,{642V V V 和},,{531V V V 分别处于不同的水平面上,而2个零矢量分别指向零轴的正方向和负方向。图3是三维空间电压矢量在αβ平面上的分布,可以看出它与传统的二维空间电压矢量的分布是一样的。 2 二维和三维电压矢量的比较 二维的αβ变换实际上是对于三维αβ0变换在不考虑零序分量时的一种简化,可以推想二维的电压脉宽调制也是一种对三维调制的简化。根据表1所给的参数和图2、图3, 传统的二维坐标系中的电压矢量分布应该就是三维电压分布的俯

空间矢量PWM算法的理解_Revise

空间矢量PWM算法的理解 姜淑忠 上海交通大学电气工程系(上海200030) 摘要:继正弦波PWM(SPWM)开关算法之后,空间矢量(Space Vector)PWM (SVPWM)已成为三相或多相逆变器的开关算法。本文以SVPWM的基本原理为基础,计算开关时间,讨论开关向量的选择原则,并用数字信号处理器(DSP)实现SVPWM算法。最后根据电压综合向量,推导相电压有效值与交流输入电压有效值的关系。 关键词:SVPWM,开关向量,开关时间,相电压有效值 Understanding of Space Vector PWM Algorithm S.Z. Jiang Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University (Shanghai 200030) Abstract: Following the SPWM algorithm, SVPWM algorithm has been adopted in three-phase and multi-phase inverters. Based on the principle of SVPWM, the calculation of switch time, the selection of switch vector and the realization on DSP are presented in this paper. Finally the relation between the rms of phase voltage and the rms of ac source is derived from the complex voltage vector. Keywords: SVPWM, Switch vector, Switch time, RMS of phase voltage 1、前言 无论是一般的变频调速,还是磁场定向控制,当计算出静止直角坐标系中的电压综合向量后,都要采用SVPWM算法获得三相逆变器六个开关器件的开关信号。早期

SVPWM算法程序

第6章空间矢量脉宽调制技术 例1、CLARK变换的DSP实现 图CLARK变换实现波形图 /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- CLARKE变换相关变量定义 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/ typedef struct { float32 As; // 输入:A相定子电流 float32 Bs; // 输入:B相定子电流 float32 Alpha; // 输出:静止坐标系d轴定子电流 float32 Beta; // 输出:静止坐标系q轴定子电流 void (*calc)(); // 计算函数指针 } CLARKE; typedef CLARKE *CLARKE_handle; /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 定义CLARKE变换初始化参数 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/ #define CLARKE_DEFAULTS { 0, \ 0, \ 0, \ 0, \ (void (*)(Uint32))clarke_calc } /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- CLARKE变换函数原型CLARKE.C ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/ void clarke_calc(CLARKE_handle); #include "dmctype.h"

永磁同步电机空间矢量调制原理与设计

空间矢量调制原理与设计 3.3.1空间矢量调制原理 空间矢量调制技术(SVPWM )是从电机的角度出发,在电机坐标变换理论和电机统一理论的基础上建立电机数学模型,通过逆变器不同开关状态的变化,使电机的实际磁链最大限度的逼近理想磁链圆。SVPWM 的形成是在20世纪80年代,德国科学家H.W.Vanderbroeck 博士在脉宽调制中引入了空间矢量技术,其目标是利用逆变器在不同开关状态下产生的八个基本电压空间矢量(两个零电压空间矢量和六个非零电压空间矢量)合成所需要的电压空间矢量。其主要的思想是在一个PWM 周期内,选择相邻的两个非零电压矢量和零电压矢量,通过合理分配电压矢量的工作时间来合成所需的参考电压空间矢量。跟直接的正弦波调制技术相比,采用SVPWM 算法的逆变器输出电压谐波小,畸变少,从而定子绕组中的电流谐波也少,具有较高的直流电压利用率。SVPWM 的控制方案有三个部分,即三相电压的区间分配、空间矢量的合成和控制算法,一般来说,SVPWM 的算法主要根据以下步骤完成: (1) 判断参考空间电压矢量的所处扇区; (2) 计算所在扇区的开关空间电压矢量的工作时间; (3) 根据电压矢量工作时间合成 PWM 信号。 本文将三相逆变器及永磁同步电机结合起来分析SVPWM 算法的原理,如图2-3所示。其输出电压由三对功率开关器件控制开通,由于逆变器的上桥臂和下桥臂开关状态互补,因此可以用a 、b 、c 三个功率器件的开关状态来描述逆变器的工作状态,共有八种组合,分别对应着八种开关模式下的线电压和相电压,如表2-1所示,其中1代表功率器件的开状态,0代表关状态。与三相电压对应的α-β坐标系下的方程为 ??????????????????????-- -=??????C B A U U U u u 232302121132βα 图2-3 三相逆变器及负载结构图 表2-1中所列的us α、us β电压值为基本空间矢量的α、β分量,其对应着是开关管的开关信号(a, b , c )。根据8种开关序列所产生的2个零电压空间矢量和6个非零基本电压空间矢量可以得到如图2-4所示的SVPWM 空间电压矢量图。 表2-1 功率器件不同开关模式下的相电压和线电压和空间矢量

空间矢量脉宽调制SVPWM控制法

第三节空间矢量脉宽调制SVPWM控制法 1.3.1 电压空间矢量SVPWM技术背景 我们先来回顾一下交流异步电机的工作机理:三相平衡的交流电压在电机定子绕组上产生三相平衡的交流电流;三相平衡的交流电流在定子内腔产生一个幅值恒定的磁链,该磁链在定子内腔旋转,旋转的角速度与电源(电流)的角速度相同;旋转的轨迹形成一个圆形的空间旋转磁场;旋转磁场通过电磁力矩带动转子旋转,在电动机状态下,转子旋转的角速度低于旋转磁场的角速度:转差,转差提交流异步电机产生力矩的根本原因。 前面所讨论的SPWM技术是从电源的角度出发,来合成电机的激励源。由交流异步电机的工作机理我们想到:可不可以直接从动力源出发,来直接合成一个圆形的旋转磁场呢?如果可以,这样的控制方法显然更直接,效果应更好。 如何直接合成一个圆形的旋转磁场呢? 对于交流电机,我们注意到以下的事实: 电机定子是固定的,不旋转的; 施加在定子上的电压是三相平衡的交流电:幅度相同,相位上彼此偏差120o; 自然地,我们想到:定义异步电机的三相定子绕组上的电压为平面上的一静止坐标系的三个轴,电机的相电压在各自的轴向上依正弦规律变化。见图2-1-10。 图2-1-10:相电压空间矢量图 由图2-1-10知,三个电压轴向量不同线性组合可以合成该平面上的任一个电压矢量u,即:

ππ34332201***j j j e A e A e A ++= 当三个电压轴向量对应于三相平衡交流电时,即:t U A m ωsin 1=, )32sin(2πω+=t U A m ,)3 4sin(3πω+=t U A m ,不难得到,所合成的电压矢量为: )sin (cos 2 3t j t U m ωω+= jwt m e U 2 3= 式(2-3-1) 由式(2-3-2)知,所合成的电压空间矢量具有以下特征: 电压矢量模(幅值)恒定; 电压矢量绕中性点旋转,旋转的轨迹是一个圆; 电压矢量绕中性点匀速旋转,旋转的角速度为ω; 电压矢量旋转的角速度与交流电源(电流)的角速度相同。 我们来看看电压空间矢量与空间旋转磁链之间的关系。 根据电机学理论,空间电流矢量,空间磁通矢量,电压空间矢量之间的关系为: dt d r i u ψ+=* 其中r *是电机绕组上的阻抗压降,在电机转速不是很低的情况下,通常可以忽略。于是上式可以写成: dt d ≈ 我们知道是一个空间旋转磁场:jwt m e ψ=, 于是=ψ=ψ≈+ππωωωω21)21(***)(j t j m t j m e e dt e d 式(2-3-2) 很明显,电压空间矢量,空间磁通矢量存在一维的线性关系,电压空间矢量的幅值(模)只与电机的角速度ω(转速)有关;相位上超前 π2 1。不难理解,这是由电机的电感属性引起的。 于是空间旋转磁场的特性可以用空间电压矢量的特性来等效。

SVPWM空间矢量脉宽调制

SVPWM 空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation) SVPWM的主要思想是:以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准,以三相逆变器不同开关模式作适当的切换,从而形成PWM波,以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发,以生成一个可调频调压的正弦波电源,而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑,模型比较简单,也便于微处理器的实时控制。 普通的三相全桥是由六个开关器件构成的三个半桥。这六个开关器件组合起来(同一个桥臂的上下半桥的信号相反)共有8种安全的开关状态. 其中000、111(这里是表示三个上桥臂的开关状态)这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的电流。因此称其为零矢量。另外6种开关状态分别是六个有效矢量。它们将360度的电压空间分为60度一个扇区,共六个扇区,利用这六个基本有效矢量和两个零量,可以合成360度内的任何矢量。 当要合成某一矢量时先将这一矢量分解到离它最近的两个基本矢量,而后用这两个基本矢量矢量去表示,而每个基本矢量的作用大小就利用作用时间长短去代表。用电压矢量按照不同的时间比例去合成所需要的电压矢量。从而保证生成电压波形近似于正弦波。 在变频电机驱动时,矢量方向是连续变化的,因此我们需要不断的计算矢量作用时间。为了计算机处理的方便,在合成时一般是定时去计算(如每0.1ms计算一次)。这样我们只要算出在0.1ms内两个基本矢量作用的时间就可以了。由于计算出的两个时间的总合可能并不是0.1ms(比这小),而那剩下的时间就按情况插入合适零矢量。由于在这样的处量时,合成的驱动波形和PWM很类似。因此我们还叫它PWM,又因这种PWM是基于电压空间矢量去合成的,所以就叫它SVPWM了。 需要明白的是,SVPWM本身的产生原理与PWM没有任何关系,只是像罢了。SVPWM的合成原理是个很重要的东东,它并不只用在SVPWM,在其它一些应用中也很有用的。当你见到时就明白了。具体可以参看IEEE的很多论文。 当然,SVPWM与SPWM的原理和来源有很大不同,但是他们确实殊途同归的。SPWM由三角波与正弦波调制而成,而SVPWM却可以看作由三角波与有一定三次谐波含量的正弦基波调制而成,这点可以从数学上证明。 SVPWM特点: 1.在每个小区间虽有多次开关切换,但每次开关切换只涉及一个器件,所以开关损耗小。 2.利用电压空间矢量直接生成三相PWM波,计算简单。 3.逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压,比一般的SPWM逆变器输出电压高15%

基于空间矢量PWM算法的全数字化调速系统_詹长江

基于空间矢量PWM算法的全数字化调速系统 A Fully Digitalized AC Speed Regulation System Based on Space Vector PWM Control Algorithem 华中理工大学 詹长江 陈 坚 康 勇 段善旭 (武汉 430074) 摘要:提出一种基于空间矢量PWM算法的全数字化交流调速系统。该系统采用双80C196K C单片机控制结构,双机之间数据并行通讯由双口RAM来完成。此外,还提出了一种新颖的定子电流检测方法,该方法基于空间矢量P WM算法,在逆变器零开关矢量作用时间内进行电流采样,采样值波动性小。实验结果表明该系统具有优良的性能。 Abstract:A fully dig italized A C speed regulation system based on space vector PWM control algorit hm is descr ibed in detail.T he control structure composed by double80C196K C chips is adopted.T he par allel commu-nicatio n can be fulfilled with the dua-l po rt-RAM.F uthermore,a new method for testing the stator current based on space vector PWM algor ithm i s proposed.T he good performance of the system is verified by ex per-i mental r esults. 叙词:调速系统 脉宽调制 数字化/空间矢量 Keywords:speed regulation system;PWM;digitalization/space vector 1 引 言 近年来,采用PWM技术的交流变频调速系统逐渐应用于工业领域中[1]。就PWM而言,本质在于优化开关函数,使得逆变器按一定规律输出电压或电流。德国学者H.W.Vander Broek等提出的基于电压空间矢量控制,不仅使得电机转矩脉动降低、电流波形畸变减小,而且与常规SPWM技术相比直流电压利用率亦有很大提高[3]。 由于交流电机本身具有非线性和强耦合性,故其控制方式复杂,用常规的模拟和数字电路难以完成复杂的控制功能,而且系统实时性的要求往往使得用一个单片机很难达到较好的控制效果[5]。而采用双单片机控制结构,既兼顾了成本方面的要求,又得以实现如矢量控制一类复杂的控制方式[6、7、8]。 交流调速系统数字化控制的另一个关键是定子电流的有效、快速、可靠的检测。通常的采样办法的最大缺点在于易受逆变器开关噪声的影响,这样采样值易受干扰而偏离原值,且波动性很大。 本文提出的基于电压空间矢量PWM算法的双80C196KC单片机控制的交流调速系统,双机之间的通讯由双口RAM芯片IDT7130硬件实现,既加快了数据传送率,又提高了系统的可靠性。另外,文中介绍的基于电压空间矢量PWM算法的定子电流检测方式可在逆变器零开关矢量作用时间内完成定子电流的检测和采样,理论上避免了开关器件开通和关断引起的开关噪声,这样采样值波动性小,增加了系统动态响应性能。 2 电压空间矢量PWM算法 图1所示主电路中,忽略电机定子绕组电阻R s,当定子绕组施加三相理想正弦电压时,由于电压合成空间矢量为等幅旋转矢量,故气隙磁通以恒定角速度旋转,轨迹为园形。实际运行中,逆变器只有六个有效开关矢量V 1~V 6和两个零开关矢量V 和V 7 ,其输出电压只可能有八种状态,因此,只能用V 0~V 7八个矢量的线性组合去近似模拟等幅旋转矢量,这时实际的电机气隙磁通轨迹近似圆形。 由文献[2、3、4]可知,逆变器输出参考电压合成空间矢量落在第I扇区时,有效开关矢量工 /3- )/2 sin /2 (1)

电压空间矢量PWM控制

文章编号:1009-0193(1999)04-0086-05 电压空间矢量(磁链追踪)PWM控制 研究与仿真 翁颖钧,吴守箴 (上海铁道大学电气工程系,上海200331) 摘要:为了提高电机的功率因数,降低开关损耗,基于气隙磁通控制原理,以电压矢量组合来逼近圆形磁链轨迹,而电压矢量的选择对应不同开关模式,因此构成电压矢量控制PWM逆变器。利用C语言仿真,该法输出电压较一般SPWM 逆变器提高15%,每次状态切换只涉及一个元件,开关损耗降低,且模型简单,适用于各种PWM调速装置。 关键词:电机;空间矢量;PWM控制 中图分类号:TM301.2 文献标识码:A 1 基本原理 由电机学可知,在由三相对称正弦电压供电时,电机的定子磁链的幅值是恒定的,并以恒速ω 1 旋转。磁链矢量顶端运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场(简称磁链圆),我们可以用定子磁链的矢量式来表述: 式中,λ m 为的幅值,ω 1 为旋转角速度。当转速不是很低时,定子电阻压降较 小,可以忽略不计,则定子电压与磁链的近似关系可表示成:

上式表明,电压矢量V 1的大小等于λ 1 的变化率,而其方向则与λ 1 的运动方向一 致。由式(1),(2) 可得: 由(3)式可见,当磁链幅值λ m 在运动过程中一定时,的大小与ω 1 (或供电电压 频率f 1 )成正比,其方向为磁链圆轨迹的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时,电压空间矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动经过2π弧度,其轨迹与磁链圆是重合的。这时,我们就把气隙旋转磁场的轨迹与电压空间矢量联系起来。从三相逆变器—异步电机原理图(见图1)可知,为了使电动机对称工作,必须三 相同时供电,从逆变器的拓扑结构以及式(2)来看,每个输出电势V ao ,V bo ,V co 都具有二个值,例如±V d /2,如此线性组合即可得到矢量23=8种电压类型。图(2) 表示了电压空间矢量的放射状分布。每个矢量标注了 0(000)~ 7 (111),0表 示同一桥臂的二个晶闸管的下面一个导通,1表示上侧的导通,k表示对应二进制数的十进制数。一旦开关方式确定,那么对应的k也就唯一确定。由式(4)可知: λ 为磁链矢量的初始值(4) 图1 三相逆变器—异步电动机原理图图2 电压空间矢量的分布 利用逆变器的这8种电压矢量的线性组合,就可获得更多的与V 1~V 8 相位不同的 新的电压空间矢量,最终构成一组等幅不同相的电压空间矢量,由式(4)知最终迭加形成尽可能逼近圆形旋转磁场的磁链圆,这就形成了电压空间矢量控制的PWM逆变器。由于它间接控制了电机的旋转磁场,所以也可称为磁链追踪控制的PWM逆变器。

空间矢量脉宽调制技术在交流感应电机控制中的应用

空间矢量脉宽调制技术在交流感应电机控制中的使用 前言:由于交流感应电机的可靠性、坚固耐用、相对的低成本,它在许多应用领域已经渐渐地取代了直流电机。现在在许多工厂中的空气压缩机都是用交流感应电机来驱动的。速度控制交流感应电机可以节省大量的电能。在交流电机的中,空间矢量脉宽调制技术已经变成了流行的技术。其控制方法与仿真如下所述。 关键词:空间矢量脉宽调制;交流感应电机;仿真。 I. 绪论 随着可关断晶体管、大功率管、隔离栅双极晶体管等晶体管工作特性的的进步,频率转换方法使用在电机速度控制中正在变得越来越流行。脉宽调制变流器使在电机中控制电压和电流的频率和大小的数量级成为了可能。因此,相对于固定频率的电机驱动,脉宽调制换流电机驱动可以提供更好的效率和更高的性能。现在有正弦曲线、过度、和相对空间矢量脉宽调制等几种技术。空间矢量脉宽调制方法不仅可以产生转动磁场而且可以更好地提高电压的利用率。 此外,在如今仿真技术已经变成了一种解决一些重要工程问题的技术方MATLAB/simulink仿真软件是一个非常重要的仿真软件,在我们产生产品之前,很有必要利用仿真软件去实现产品的可行性。 II. 空间矢量脉宽调制技术 A. 空间矢量脉宽调制技术的简介: 空间矢量脉宽调制引用了由三相功率转换器是最上面的三个功率三极管组成的一个特殊矩阵。和直接正弦曲线调制技术相比,在应用于交流电机调相中时,空间矢量脉宽调制电压和电流的输出端可以产生极少的波形失真,并且可以提供更高效率的电压补给。 典型的三相电压源功率变流器的结构如图In Fig 所示。在应用于应用于电机的绕组中时Va, Vb and Vc时电压的输出端。Q1到Q6六个功率晶体管形成输出端,他们由a, a’, b, b’, c and c’六段控制。在交流感应电机的控制中,当最上端的功率管转换时,相应的下面的功率管是关断的。开和关的状态对于上端Q1,Q3和Q5是等同的,a,b和c端在电压输出端的估值是很足够的。 Fig.1 三相功率转换器图 转换可变矢量 [a, b, c]t之间的关系、行与行之间的的电压矢量之间的关系 [Vab Vbc

空间矢量算法计算

啊一直以来对SVPWM原理和实现方法困惑颇多,无奈现有资料或是模糊不清,或是错误百出。经查阅众多书籍论文,长期积累总结,去伪存真,总算对其略窥门径。未敢私藏,故公之于众。其中难免有误,请大家指正,谢谢! 此文的讲解是非常清楚,但是还是存在一些错误,本人做了一些修正,为了更好的理解整个推导过程,对部分过程进行分解,并加入加入7段和5段时调制区别。 1 空间电压矢量调制 SVPWM 技术 SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法,是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波,能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同,它是从三相输出电压的整体效果出发,着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。 SVPWM技术与SPWM相比较,绕组电流波形的谐波成分小,使得电机转矩脉动降低,旋转磁场更逼近圆形,而且使直流母线电压的利用率有了很大提高,且更易于实现数字化。下面将对该算法进行详细分析阐述。 SVPWM基本原理 SVPWM 的理论基础是平均值等效原理,即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合,使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻,电压矢量旋转到某个区域中,可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加,从而控制各个电压矢量的作用时间,使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转,通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆,并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态,从而形成PWM 波形。逆变电路如图 2-8 示。 设直流母线侧电压为Udc,逆变器输出的三相相电压为UA、UB、UC,其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上,可以定义三个电压空间矢量 UA(t)、UB(t)、UC(t),它们的方向始终在各相的轴线上,而大小则随时间按正弦规律做变化,时间相位互差120°。假设Um为相电压有效值,f为电源频率,则有: (2-27) 其中,,则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量 U(t)就可以表示为: (2-28) 可见 U(t)是一个旋转的空间矢量,它的幅值为相电压峰值的倍,Um为相电压峰值,且以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转的空间矢量,而空间矢量 U(t)在三相坐标轴(a,b,c)上的投影就是对称的三相正弦量。 图 2-8 逆变电路 由于逆变器三相桥臂共有6个开关管,为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量,特定义开关函数 Sx ( x = a、b、c) 为: (2-30) (Sa、Sb、Sc)的全部可能组合共有八个,包括6个非零矢量 Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和两个零矢量U0(000)、U7(111),下面以其中一种开关组合为例分析,假设Sx ( x= a、b、c)= (100),此时 (2-30)求解上述方程可得:Uan=2Ud /3、UbN=-U d/3、UcN=-Ud /3。同理可计算出其它各种组合下的空间电压矢量,列表如下:

空间矢量脉宽调制 ( SVPWM )

空间矢量脉宽调制(SVPWM) 一、空间矢量脉宽调制(SVPWM)定义 空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术被广泛应用于UPS/EPS、变频器等各类三相PWM逆变电源中。SVPWM的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准,以三相逆变器不同开关模式作适当的切换,从而形成PWM波,以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发,以生成一个可调频调压的正弦波电源,而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑,模型比较简单,也便于微处理器的实时控制。 空间矢量脉宽调制(SVPWM)

二、空间矢量脉宽调制(SVPWM)特点 1、在每个小区间虽有多次开关切换,但每次开关切换只涉及一个器件,所以开关损耗小。 2、利用电压空间矢量直接生成三相PWM波,计算简单。 3、逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压,比一般的SPWM逆变器输出电压高15%,具有母线电压利用率高的特点。 三、SVPWM、SPWM、PWM的区别 PWM 脉冲宽度调制(PWM),晶闸管工作在开关状态,晶闸管被触发导通时,电源电压加到电动机上;晶闸管关断时,直流电源与电动机断开;这样通过改变晶闸管的导通时间(即调占空比ton)就可以调节电机电压,从而进行调速。 对比SVPWM的产生原理可知,SVPWM本身的产生原理与PWM没有任何关系,只是形似。 SPWM 正弦波脉宽调制,将正弦半波N等分,把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代。三角波载波信号Ut与一组三相对称的正弦参考电压信号Ura、Urb、Urc比较后,产生的SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波,调节正弦波参考信号的幅值和频率就可以调节SPWM逆变器输出电压的幅值和频率。 SVPWM与SPWM的原理和来源有很大不同,但是他们确实殊途同归的。SPWM由三角波与正弦波调制而成,而SVPWM却可以看作由三角波与有一定三次谐波含量的正弦基波调制而成,这点可以从数学上证明。SPWM电源利用率不高(只有86%)、谐波成分大,因此,在新近开发的产品中其应用逐渐被性能优异的SVPWM所取代。

空间矢量调制

空间矢量调制 众所周之,感应电机变频调速采用SPWM 要求获得的正弦的三相电压波形,虽然定子三相绕组电压按照等面积法则满足正弦对称条件,但是由于逆变器电压实际上仍然是脉冲电压,三相绕组中电流的谐波分量多,而且最主要的不足是电源的利用率较低,大约等于86%。从电机学的原理来看,感应电机需要输入三相正弦电压的最终目的是在空间产生圆形的旋转磁场,从而产生恒定的电磁转矩。空间矢量调制技术在电压源逆变器供电的情况下,以三相对称正弦电压产生的圆形磁链为基准,通过逆变器开关状态的选择产生PWM 波形,使得实际磁链逼近圆形磁链轨迹,而且可以较好地改善电源的利用率。 对于逆变器来说,功率器件的开关导通状态是有限的,因此根据功率器件导通状态确定的空间矢量位置也时有限的。空间矢量调制就是根据确定位置的有限个空间矢量组合作用来产生满足任意位置和一定幅值范围需要的空间矢量的过程。也就是,在整个PWM 周期内改变各相导通时间的分配来形成所需的任意空间矢量。空间矢量调制有三类:电压空间矢量调制、磁链空间矢量调制、电流空间矢量调制。常用的电压空间矢量调制(SVPWM). SVPWM的基本原理 图绘出了三相PWM逆变器供电给异步电机的原理图,为使电机对称工作, 必须三相同时供电。a,b,c 分别代表3 个桥臂的开关状态,规定:上桥臂器件导通用“1”表示,下桥臂器件导通用“0”表示,并依UVW 相序依次排列。

可以推导出,三相逆变器输出的相电压矢量[Uu Uv Uw]T 与开关状态矢量[a b c]T的关系为: Uu Uv Uw = U DC 3 2?1?1 ?12?1 ?1?12 a b c 式中U DC是直流电源电压。 将式(1-17)代入电压空间矢量公式: 得到相应逆变器工作模式与输出电压的关系,如表1-1 U out=2 3 U u + U v e j2π +U w e j4π 得到相应逆变器工作模式与输出电压的关系,如表1-1 由表1-1 的计算结果,得到如图1-6 所示的8个基本空间电压矢量,其中6 中空间电压矢量幅值相等,都等于2U DC 3,相位角互差π 3 ,分别记作 U0,U60,U120,U180,U240,U300,而零电压矢量记作0000,0111。

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