空间矢量脉宽调制 ( SVPWM )

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永磁同步电机SVPWM控制方法的死区分析与补偿

作者：卢秀和 佟雪佳 许宏志 张志杰

来源：《中国高新技术企业》2013年第19期

摘要：文章在理想和实际情况下，对逆变器死区效应及对永磁同步电机输出波形的影响进行了分析。为了防止逆变器的“桥臂”发生直通，必须设置“死区时间”。文章根据三相电流输出方向，分别按各相电流进行补偿，以达到消除死区效应的目的。实验结果表明，该方法简单且不需附加硬件，具有较好的补偿效果。

关键词：空间电压矢量脉宽调制；死区效应；永磁同步电机

中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）28-0074-02

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。

SVPWM技术研究及其仿真

1 引言

空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation) 是已被应用于变频器、ups、无功补偿器等领域的新技术。近年来随着大型重工业行业的技术改造和更新工作的展开，对大功率、高质量变频器的需求与日俱增，这种情况在我国尤其突出。电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，为变频器技术日趋成熟准备了条件，先进的svpwm技术在此环境下应运而生。变频器的svpwm算法与其拓扑结构有着密切的联系，因此必须根据变频器拓扑结构的不同，选取相应的控制算法。

2 svpwm控制方法原理

2.1 pwm控制技术

pwm(pulse width modulation)控制技术是利用电力电子开关器件的导通和关断作用把输入的直流电变成输出脉冲列，并通过控制脉冲宽度或周期来达到变压、变流或变频的目的。

pwm的控制方法可根据不同分类法分成多种方法。从控制思想上来看,可以分作四类,即等脉宽pwm法、spwm(sine pwm)法、svpwm法和电流跟踪型的pwm法。

2.2 svpwm控制方法简介

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。

2.3 pwm逆变器输出的矢量表示

电机理想的供电电压为三相对称正弦波，设线电压vdc，相电压表示式如下:

根据合成电压矢量公式

由上面的式子可得

从(5)式可以看出，合成电压矢量是一个随时间变化、幅值一定的圆形磁场，而磁场是电压的积分，因此产生的磁场也是一个圆形的旋转磁场，图1为逆变器简化的拓扑图，定义三个开关函数sa，sb，sc，用1代表1个桥臂的上桥臂导通，用0代表1个桥臂的下桥臂导通。则对于180°导通型逆变器来说，三相桥臂的开关有8个导通状态，包括6个非零矢量和2个零矢量。

SVPWM的等效算法及SVPWM与SPWM的本质联系

一、本文概述

随着电力电子技术的快速发展，空间矢量脉宽调制（SVPWM）和正弦脉宽调制（SPWM）作为两种重要的调制策略，在电力转换和控制领域得到了广泛应用。本文旨在探讨SVPWM的等效算法，并深入揭示SVPWM与SPWM之间的本质联系。

我们将对SVPWM的基本原理和算法进行详细阐述，包括其空间矢量的概念、合成方法以及脉宽调制的实现过程。在此基础上，我们将引入SVPWM的等效算法，该算法通过简化计算过程，提高了SVPWM的实时性和效率。

我们将对SPWM的基本原理和算法进行回顾，包括其正弦波调制的原理、实现方法以及优缺点。通过对比SVPWM和SPWM的调制策略，我们将揭示两者在调制原理、波形质量、电压利用率等方面的本质联系和差异。

本文将通过仿真和实验验证SVPWM的等效算法的有效性，并展示SVPWM和SPWM在实际应用中的性能表现。通过本文的研究，读者将能够更深入地理解SVPWM和SPWM的调制原理，为电力转换和控制领域的研究和应用提供有益的参考。

二、SVPWM的基本原理与等效算法

空间矢量脉宽调制（SVPWM）是一种用于三相电压源型逆变器的先进调制策略。其基本原理在于，将三相电压视为一个旋转的空间矢量，并通过控制该矢量的旋转速度和方向，实现对输出电压的精确控制。SVPWM通过在一个控制周期内合成多个基本电压矢量，使得输出电压能够逼近期望的电压矢量，从而提高了电压利用率并降低了谐波含量。

SVPWM的等效算法主要基于伏秒平衡原则，即在一个控制周期内，通过合理地分配各个基本电压矢量的作用时间，使得输出电压的平均值等于期望的电压值。具体实现时，首先根据期望的电压矢量计算出其在αβ坐标系下的分量，然后根据这些分量确定所需的基本电压矢量及其作用时间。通过PWM信号控制逆变器的开关状态，实现输出电压的精确控制。

SVPWM与SPWM（正弦脉宽调制）的本质联系在于，它们都是通过控制逆变器的开关状态来生成期望的输出电压波形。然而，与SPWM相比，SVPWM具有更高的电压利用率和更低的谐波含量。这是因为SVPWM在合成输出电压时，能够充分利用逆变器的所有基本电压矢量，而不仅仅是正弦波的一个近似。SVPWM还能够实现电压矢量的平滑过渡，从而减少了输出电压中的谐波成分。

SVPWM的原理及法则推导和控制算法详解

SVPWM全称为Space Vector Pulse Width Modulation，是一种用于交流电驱动的脉宽调制技术。它通过对电压波形进行合适的调制，实现对交流电驱动变频器输出电压的精确控制。以下是SVPWM的原理及法则推导和控制算法的详解。

1.原始正弦信号：

首先，将三相交流电压信号转化为矢量信号表示。当输入的三相正弦信号为：

$$v_a=v_m\sin(\Omega t)$$

$$v_b=v_m\sin(\Omega t - \frac{2\pi}{3})$$

$$v_c=v_m\sin(\Omega t + \frac{2\pi}{3})$$

其中，$v_m$为幅值，$\Omega$为频率，t为时间。

2.空间矢量表示：

将交流信号的三相信号进行矩阵变换，转化为空间矢量表示，例如：

$$V_s=\frac{2}{3}\begin{pmatrix} 1 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2}\\ 0 & \sqrt{3}/2 & -\sqrt{3}/2

\end{pmatrix}\begin{pmatrix} v_a\\ v_b\\ v_c \end{pmatrix}$$

其中，$V_s$表示空间矢量表示。

3.空间矢量模量：

空间矢量模量的大小表示输出电压的幅值，可以通过以下公式计算： $$V=\sqrt{V_s^2}=\sqrt{V_a^2 + V_b^2 + V_c^2}$$

4.空间矢量相位：

空间矢量相位表示输出电压的相位位置，可以通过以下公式计算：

$$\theta=\tan^{-1}(\frac{V_b}{V_a})$$

5.确定电压矢量分量：

根据设定的输出电压幅值和相位，可以计算出两个主要输出电压分量$V_d$和$V_q$，分别代表感应电机电流的直流成分和交流成分。

6.电压矢量分解：

通过将输出电压分解为两个主要分量$V_d$和$V_q$，可以表示为：