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基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制系统的研究永磁同步电机直接转矩空间矢量脉宽调制Matlab/Simulink1引言空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术是在一个控制周期内，通过相邻基本电压矢量和零电压矢量合成得到所需的任意电压矢量，实现电压矢量的线性连续可调的技术[1,2]。
本文运用了一种基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的永磁同步电机的直接转矩控制算法，其原理是根据转矩和定子磁链的误差，通过驱使误差为零的原则确定参考电压空间矢量，然后通过SVPWM技术合成该矢量[3]，由于在下一个控制周期内，采样时刻的电压和磁链误差可以得到补偿，因此转矩和磁链的误差始终能够控制在一个很小的范围，二者的脉动很小。
2SVPWM的基本原理交流电动机输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。
因此，如果把逆变器和交流电机看成一个整体，控制逆变器的工作状态以此来产生跟踪圆形的旋转磁场，能够达到很好的控制效果。
SVPWM将逆变器和交流电机视为一个整体观念，把三相对称的正弦波电源供电时交流电机产生的理想磁链圆作为参考对象，通过选择三相逆变器的六个功率开关器件的特定开关模式，生成SVPWM脉宽调制波，从而使电机的实际磁链尽可能地逼近理想的圆形，产生恒定的电磁转矩[4]。
由电压源型逆变器产生的8个基本电压空间矢量如图1所示。
6个非零基本电压空间矢量将整个电压空间矢量平面区域分成六个60°的扇区Ⅰ-Ⅵ。
图1 电压矢量在空间的分布图交流电动机仅由常规的逆变器供电，得到的是六边形的旋转磁场。
这是因为在一个周期内逆变器只切换六次工作状态，因此只能形成6个电压空间矢量。
如果想获得更多边线或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个π/3期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。
为此，采用线性组合法控制SVPWM的开关时间，改造后的逆变器可以得到逼近圆形的旋转磁场。
3SVPWM控制算法的研究及实现原理3.1 参考电压矢量所在扇区的判断由图1所示，SVPWM分为六个扇区，电压矢量所在的扇区是由Urefα和Urefβ决定的。
• 167•基于SVPWM的永磁同步电机控制器设计广东理工学院电气工程系 梁永忠【摘要】本文详细分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)的工作原理，设计了永磁同步电机(PMSM)的硬件控制方案，采用STM32F103C8T6单片机实现了该方案的控制程序，通过实验验证了该方案的可行性。
【关键词】空间矢量脉宽调制；永磁同步电机；单片机Design of PMSM Controller Based on SVPWMLiang Yongzhong（Department of Electrical Engineering Guang Dong Polytechnic College ，Zhaoqing 526100，China ）ABSTRACT ：This paper analyzes the working principle of Space Vector Pulse Width Modulation in detail ，and the hardware control scheme of the PMSM is designed.The control program of the scheme is realized by using STM32F103C8T6.The feasibility of the scheme is verified by the experiment.Key words ：SVPWM ；PMSM ；MCU0 引言永磁同步电动机(PMSM)由于其控制特性良好，结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率和功率因数高，已广泛应用于各种工业传动领域，并取得显著的节能效果[1]。
传统的交流电动机采用正弦脉宽(SPWM)调制技术输出一个频率和电压可调、三相对称的正弦波电动机供电电源，这种方法虽然具有数学模型简单、易于实现的优点，但是它的电压利用率太低。
空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术将逆变系统和电机看作一个整体来考虑，使实际磁链矢量追踪理想磁链圆，其控制简单，开关损耗小，电压利用率比一般的SPWM 高[2]。
基于SVPWM永磁同步电机控制系统的建模与仿真张海啸 王淑红（太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）摘要本文研究永磁同步电机(PMSM)矢量控制系统。
采用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）算法，在Matlab/Simulink环境下,通过对坐标系转换、SVPWM逆变器、速度控制器等功能模块的建立与组合,构建了PMSM控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。
仿真结果证明了该系统模型具有很好的静态、稳态性能。
关键词：永磁同步电机；空间矢量脉宽调制；仿真Modeling and Simulation of PMSM Control System Based on SVPWMZhang Haixiao Wang Shuhong(Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024)Abstract Vector control of PMSM was studied in the paper.A novel method for modeling and simulation of PMSM system in Matlab had been proposed. In Matlab/ Simulink , the independent functional blocks and such as vector controller block , hysteresis current controller block and speed controller,ect.,had been modeled. By the organic combination of these blocks , the double loop of control system model of PMSM could be easily established. The reasonability and validity had been testified by the simulation results.Key words：PMSM；SVPWM；modeling and simulation1引言永磁同步电机(PMSM)广泛应用于诸如高性能机床进给控制、位置控制、机器人等领域。
中图分类号:T M 351 T M341 文献标识码:A 文章编号:100126848(2006)0920038204采用S VP WM 的永磁同步电动机系统建模与仿真安群涛,李 波,王有琨(哈尔滨工业大学电气工程系,哈尔滨 150001)摘 要:为了兼顾永磁同步电动机的成本和控制性能,在分析永磁同步电动机数学模型的基础上,基于Matlab/Si m ulink 建立了永磁同步电动机磁场定向控制系统仿真模型。
重点阐述了电压空间矢量脉宽调制(S V P WM )的原理及算法,给出了利用Si m ulink 的实现方法。
该模型较之以往论文给出的滞环电流控制型永磁同步电动机系统更具有普遍性和实用性。
仿真结果证明了该模型的有效性,并验证了其他控制算法,为永磁同步电动机系统的设计和调试提供了思路。
关键词:永磁同步电动机;磁场定向控制;建模;空间矢量脉宽调制M ode li ng an d S i m ula t ion of P M S M Syste m Usi n g SVPWMAN Qun 2tao,L I Bo,WANG Y ou 2kun(D e p t .of Electrical Engineering,Harbin Institute of Technol ogy,Harbin 150001,China)ABSTRAC T:A t the basis of analysis ofm odel of Per m anentMagnet Synchr onousMot or,this paper es 2tablished the si mula tion model of field 2orientated control syste m of P MS M ba sed on Matlab /Si m ulink .Princ i p le of S VP WM was expa tiated,and i m ple m ent m ethod was given in this pa per .The reas onabilityand validity have been testified by the si m ulation r e sults,other contr ol a rithm etic can be validated andthis method offers a thought w ay f or de signing and debugging ac tual mot ors .KEY W O RDS:P MS M;Field 2orienta ted contr ol;Syste m m odeling;S V P WM收稿日期5226修稿日期625250 引 言永磁同步电动机(P MS M )控制特性良好,结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率和功率因数高,已经逐步取代直流伺服电动机而用于高性能的伺服系统中[1]。
永磁同步电机控制的SVPWM算法—扇区判断与切换时间确定SVPWM的算法及仿真研究1 引⾔ 随着电⼒电⼦技术和微处理器的发展，脉宽调制(pulse width modulation，pwm)技术在电⼒传动领域得到了⼴泛应⽤。
在各种pwm技术中，空间⽮量pwm(space vector pwm，svpwm)技术以其物理概念清晰、算法简单、电压利⽤率⾼且易于数字化实现等特点，在⾼性能全数字化交流调速系统中得到了较多应⽤[1]。
本⽂⾸先介绍了svpwm的基本原理，在分析机理的基础上详细推导了svpwm算法，然后在matlab/simulink环境下通过利⽤功能模块和编写基于m⽂件的s函数相结合的⽅法实现了该算法。
2 空间⽮量脉宽调制原理[2] 三相电压型逆变器共有6个功率开关管，任何时刻有且仅有3个开关器件导通，⽽且上、下桥臂的开关器件是互锁的，因此逆变器实际上只有8个基本的开关状态。
若⽤数字“1”表⽰相应上桥臂开关器件处于导通状态，⽽下桥臂开关器件处于关断状态；⽤数字“0”表⽰相应上桥臂开关器件处于导通状态，⽽下桥臂开关器件处于关断状态。
则这8种开关状态可⽤8个开关相量表⽰，分别为“000，100，110， (101)111”。
对应的8个电压空间⽮量如图1所⽰。
图1 三相逆变器输出电压空间⽮量图 图1中的电压空间⽮量包括6个幅值相等、相位互差π/3电⾓度的⾮零⽮量u1～u6，它们将复平⾯分成了6个扇区i～vi；还有两个位于复平⾯中⼼的幅值为零的零⽮量u0、u7。
为了便于研究，将三相坐标系转换到两相α-β直⾓坐标系。
svpwm线性组合的控制策略就是通过合理控制两个相邻⾮零⽮量及零⽮量之间的切换，在每个开关周期内去逼近旋转参考⽮量uref，使合成电压⽮量的轨迹逼近圆形，进⽽得到如图1所⽰的六个扇区。
以参考⽮量uref位于扇区i为例，在⼀个采样周期内uref可由⾮零电压⽮量u1、u2及零电压⽮量u0、u7合成，通过控制逆变器输出电压⽮量u1、u2 及u0、u7的切换时刻，可以逼近uref。
浅谈永磁同步电机SVPWM控制方法空间电压矢量脉宽调制SVPWM控制已经成为三相逆变器中最重要的调制方式。
它的数学建型是以电机统一理论和电机坐标轴变换理论为基础的，物理意义直观，数学模型简单，并具有抑制转矩脉动、噪音低、电压利用率高等优点。
为防止逆变器同一桥臂上的两个功率管发生直通造成短路，必须设置死区时间。
但这会使逆变器出现死区效应，导致输出电流波形发生畸变，输出转矩减小，特别是在低速轻载时稳态转矩脉动，容易引起电机振荡，甚至无法正常工作。
针对在非理想特性下造成的死区效应，本文提出了根据将三相电流分成6个区域，并在各区域中按相电流方向对三相输出电压进行死区补偿措施，此方法不仅提高了逆变器低频轻载时的输出性能，且不需附加额外硬件，实现简单，易于模块化。
1 永磁同步电机SVPWM死区效应分析图1为永磁同步电机逆变器主电路结构图。
下面以a相电流为例进行死区效应分析，电流方向为桥臂流向负载（即正向电流）。
图1中，Vdc为直流电源；Cd为中间直流回路滤波电容；D1～D6为6个续流二极管；T1～T6为6个功率管。
在死区期间内，三相电机输出电压产生的误差方向由电流方向决定。
图1 永磁同步电机逆变器主电路结构如图2所示，图2（a）为a相电流正向时输出电压一个开关周期内的波形，图2（b）为反向情况。
实线为实际获得电压波形，虚线为参考相电压波形，点划线为需补偿参考电压。
（a）ia正向的情况（b）ia反向的情况图2 a相参考电压和输出电压波形如图2（a）所示，当a相电流流向负载（即正向电流）时，上管断开，下管续流，存在二极管导通压降Vd，使得uao=-Vdc/2-Vd；参考相电压反向后，上管经过死区时间和开通延时（td+ton）后导通，电流经上管流向负载，此时存在开关器件导通压降Vsat，使得uao=Vdc/2-Vsat。
同理可得当电流由负载流向电源（即反向电流）时uao的情况。
根据参考电压伏秒面积等于补偿后伏秒面积原则，若要误差电压为零，当电流为正向时ΔV=[（1-D）Ts+τ]Vd+τVdc+（DTs-τ）Vsat-tcom+（Vdc+Vd-Vsat）=0得到tcom+={τVdc+（DTs-τ）Vsat+[（1-D）Ts+τ]Vd}/（Vdc+Vd-Vsat）taon+=t※aon+tcom+同理，可得出电流反向时：tcom-={τVdc+[（1-D）Ts-τ]Vsat+（DTs+τ）Vd}/Vdc+Vd-Vsattaon-=t※aon+tcom-式中：ΔV——误差电压Vdc——母线直流电压Vsat——开关器件的导通压降Vd——并联二极管的导通压降ton——开关器件的等效开通时间toff——开关器件的关断延迟时间td——死区时间Ts——开关周期t※aon——上管理想导通时间taon+，taon-——正反向电流的上管实际导通时间tcom+，tcom-——正反向电流的实际补偿时间D——占空比，D=t※aon/Tsτ——时间误差，τ=td+ton-toff，b、c相情况以此类推图3为系统中死区补偿方案的矢量控制图。
