(最新整理)最詳細(xì)的矢量控制說明_spvwm

1、(完整)最詳細(xì)的矢量控制說明_spvwm(完整)最詳細(xì)的矢量控制說明_spvwm 編輯整理：尊敬的讀者朋友們：這里是精品文檔編輯中心，本文檔內(nèi)容是由我和我的同事精心編輯整理后發(fā)布的，發(fā)布之前我們對(duì)文中內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)校對(duì)，但是難免會(huì)有疏漏的地方，但是任然希望（(完整)最詳細(xì)的矢量控制說明_spvwm）的內(nèi)容能夠給您的工作和學(xué)習(xí)帶來便利。同時(shí)也真誠的希望收到您的建議和反饋，這將是我們進(jìn)步的源泉，前進(jìn)的動(dòng)力。本文可編輯可修改，如果覺得對(duì)您有幫助請(qǐng)收藏以便隨時(shí)查閱，最后祝您生活愉快 業(yè)績(jī)進(jìn)步，以下為(完整)最詳細(xì)的矢量控制說明_spvwm的全部?jī)?nèi)容。第 18 頁 共 18 頁一直以來對(duì)svpwm原理和實(shí)

2、現(xiàn)方法困惑頗多，無奈現(xiàn)有資料或是模糊不清,或是錯(cuò)誤百出。 經(jīng)查閱眾多書籍論文，長(zhǎng)期積累總結(jié)，去偽存真，總算對(duì)其略窺門徑。未敢私藏，故公之于眾。其中難免有誤，請(qǐng)大家指正，謝謝！駒：qq：422741349email:此文的講解是非常清楚,但是還是存在一些錯(cuò)誤，本人做了一些修正,為了更好的理解整個(gè)推導(dǎo)過程，對(duì)部分過程進(jìn)行分解，并加入加入7段和5段時(shí)調(diào)制區(qū)別.email:1 空間電壓矢量調(diào)制 svpwm 技術(shù)svpwm是近年發(fā)展的一種比較新穎的控制方法，是由三相功率逆變器的六個(gè)功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電

3、流波形盡 可能接近于理想的正弦波形?？臻g電壓矢量pwm與傳統(tǒng)的正弦pwm不同，它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā),著眼于如何使電機(jī)獲得理想圓形磁鏈軌跡。 svpwm技術(shù)與spwm相比較，繞組電流波形的諧波成分小,使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化。下面將對(duì)該算法進(jìn)行詳細(xì)分析闡述.1.1 svpwm基本原理svpwm 的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過對(duì)基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等.在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來得到。兩個(gè)矢

4、量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn),通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成pwm 波形.逆變電路如圖 2-8 示.設(shè)直流母線側(cè)電壓為udc，逆變器輸出的三相相電壓為ua、ub、uc,其分別加在空間上互差120的三相平面靜止坐標(biāo)系上，可以定義三個(gè)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(shí)間按正弦規(guī)律做變化，時(shí)間相位互差120。假設(shè)um為相電壓有效值，f為電源頻率,則有: （227）其中,，則三相電壓空間矢量相加

5、的合成空間矢量 u（t)就可以表示為： （228）可見 u(t）是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值為相電壓峰值的1.5倍，um為相電壓峰值，且以角頻率=2f按逆時(shí)針方向勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，而空間矢量 u（t)在三相坐標(biāo)軸（a，b，c)上的投影就是對(duì)稱的三相正弦量。圖 28 逆變電路由于逆變器三相橋臂共有6個(gè)開關(guān)管,為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時(shí)逆變器輸出的空間電壓矢量,特定義開關(guān)函數(shù) sx （ x = a、b、c） 為：（2-30）(sa、sb、sc)的全部可能組合共有八個(gè)，包括6個(gè)非零矢量 ul(001)、u2（010)、u3(011)、u4(100）、u5（101）、u6(110)、和兩個(gè)

6、零矢量 u0(000)、u7(111）,下面以其中一 種開關(guān) 組 合為 例分 析，假設(shè)sx ( x= a、b、c)= （100), 此 時(shí) （230)求解上述方程可得：uan=2ud /3、ubn=-u d/3、ucn=-ud /3。同理可計(jì)算出其它各種組合下的空間電壓矢量，列表如下：表 2-1 開關(guān)狀態(tài)與相電壓和線電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系sasbsc矢量符號(hào)線電壓相電壓uabubcucauanubnucn000u0000000100u4udc00110u6udcudc0010u20udcudc011u30udcudc001u100udc101u5udc0udc111u7000000圖 29 給出了八個(gè)

7、基本電壓空間矢量的大小和位置.圖 29 電壓空間矢量圖 其中非零矢量的幅值相同（模長(zhǎng)為 2udc/3)，相鄰的矢量間隔 60，而兩個(gè)零矢量幅值為零，位于中心。在每一個(gè)扇區(qū)，選擇相鄰的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，即：（2-31）或者等效成下式：(2-32) 其中，uref 為期望電壓矢量；t為采樣周期；tx、ty、t0分別為對(duì)應(yīng)兩個(gè)非零電壓矢量 ux、uy 和零電壓矢量 u 0在一個(gè)采樣周期的作用時(shí)間；其中u0包括了u0和u7兩個(gè)零矢量。式（232）的意義是，矢量 uref 在 t 時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果值和 ux、uy、u 0 分別在時(shí)間 tx、t

8、y、t0內(nèi)產(chǎn)生的積分效果相加總和值相同。 由于三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成一個(gè)等效的旋轉(zhuǎn)電壓，其旋轉(zhuǎn)速度是輸入電源角頻率，等效旋轉(zhuǎn)電壓的軌跡將是如圖2-9 所示的圓形。所以要產(chǎn)生三相正弦波電壓，可以利用以上電壓向量合成的技術(shù)，在電壓空間向量上，將設(shè)定的電壓向量由u4(100)位置開始，每一次增加一個(gè)小增量，每一個(gè)小增量設(shè)定電壓向量可以用該區(qū)中相鄰的兩個(gè)基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到的設(shè)定電壓向量就等效于一個(gè)在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達(dá)到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的。1.2 svpwm 法則推導(dǎo)三相電壓給定所合成的電壓向量旋轉(zhuǎn)角速度為=2f，旋轉(zhuǎn)一周所需的

9、時(shí) 間為 t =1/ f ;若載波頻率是 fs ，則頻率比為 r = f s / f 。這樣將電壓旋轉(zhuǎn)平面等 切 割 成 r 個(gè) 小 增 量 ，亦 即 設(shè) 定 電 壓 向 量 每 次 增 量 的 角 度 是 : g = =2/ r =2f/fs=2ts/t。今假設(shè)欲合成的電壓向量uref 在第區(qū)中第一個(gè)增量的位置，如圖2-10所示，欲用 u4、u6、u0 及 u7 合成，用平均值等效可得：u ref*tz =u 4t4 +u 6t6 。圖 210 電壓空間向量在第區(qū)的合成與分解在兩相靜止參考坐標(biāo)系（,)中，令 uref 和 u4 間的夾角是，由正弦定理可得: （233）因?yàn)?u 4 |=|u

10、6=2udc/3 ，所以可以得到各矢量的狀態(tài)保持時(shí)間為：p (2-34)式中 m 為 svpwm 調(diào)制系數(shù)(調(diào)制比）， m=|uref/udc 。而零電壓向量所分配的時(shí)間為：t7=t0=（tst4-t6 ) /2 (2-35)或者t7 =（tst4t6 ) （2-36)得到以 u4、u6、u7 及 u0 合成的 uref 的時(shí)間后，接下來就是如何產(chǎn)生實(shí)際的脈寬調(diào)制波形。在svpwm 調(diào)制方案中，零矢量的選擇是最具靈活性的，適當(dāng)選擇零矢量，可最大限度地減少開關(guān)次數(shù)，盡可能避免在負(fù)載電流較大的時(shí)刻的開關(guān)動(dòng)作，最大限度地減少開關(guān)損耗。一個(gè)開關(guān)周期中空間矢量按分時(shí)方式發(fā)生作用,在時(shí)間上構(gòu)成一個(gè)空間矢量

11、的序列，空間矢量的序列組織方式有多種，按照空間矢量的對(duì)稱性分類，可分為兩相開關(guān)換流與三相開關(guān)換流。下面對(duì)常用的序列做分別介紹。1.2.1 7段式svpwm我們以減少開關(guān)次數(shù)為目標(biāo)，將基本矢量作用順序的分配原則選定為：在每次開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí),只改變其中一相的 開關(guān)狀態(tài).并且對(duì)零矢量在時(shí)間上進(jìn)行了平均分配,以使產(chǎn)生的 pwm 對(duì)稱，從而有效地降低 pwm 的諧波分量。當(dāng) u4（100）切換至 u0(000）時(shí)，只需改變 a 相上下一對(duì)切換開關(guān),若由 u4（100）切換至 u7(111）則需改變 b、c 相上下兩對(duì)切換開關(guān)，增加了一倍的切換損失。因此要改變電壓向量 u4(100）、u2(010）、 u

12、1(001)的大小，需配合零電壓向量 u0（000），而要改變 u6(110)、u3(011）、u5（100), 需配合零電壓向量 u7(111）。這樣通過在不同區(qū)間內(nèi)安排不同的開關(guān)切換順序， 就可以獲得對(duì)稱的輸出波形,其它各扇區(qū)的開關(guān)切換順序如表 2-2 所示.表 2-2 uref 所在的位置和開關(guān)切換順序?qū)φ招騯ref 所在的位置開關(guān)切換順序三相波形圖區(qū)(060）0-46-7-76-4-0區(qū)（60120）0-2-677-62-0區(qū)（120180）02-3-7-7320區(qū)（180240）013-7-7-310區(qū)（240300）0-15-7-75-10區(qū)（300360）04-5-7-7-54-

13、0以第扇區(qū)為例，其所產(chǎn)生的三相波調(diào)制波形在時(shí)間 ts 時(shí)段中如圖所示,圖中電壓向量出現(xiàn)的先后順序?yàn)?u0、u4、u6、u7、u6、u4、u0,各電壓向量的三相波形則與表 22 中的開關(guān)表示符號(hào)相對(duì)應(yīng)。再下一個(gè) ts 時(shí)段,uref 的角度增加一個(gè)，利用式（2-33）可以重新計(jì)算新的 t0、t4、t6 及 t7 值，得到新的 合成三相類似（34）所示的三相波形；這樣每一個(gè)載波周期ts就會(huì)合成一個(gè)新的矢量，隨著的逐漸增大，uref 將依序進(jìn)入第、區(qū)。在電 壓向量旋轉(zhuǎn)一周期后，就會(huì)產(chǎn)生 r 個(gè)合成矢量。1.2.2 5段式svpwm對(duì)7段而言，發(fā)波對(duì)稱，諧波含量較小，但是每個(gè)開關(guān)周期有6次開關(guān)切換，為

14、了進(jìn)一步減少開關(guān)次數(shù)，采用每相開關(guān)在每個(gè)扇區(qū)狀態(tài)維持不變的序列安排,使得每個(gè)開關(guān)周期只有3次開關(guān)切換，但是會(huì)增大諧波含量。具體序列安排見下表。表 23 uref 所在的位置和開關(guān)切換順序?qū)φ招騯ref 所在的位置開關(guān)切換順序三相波形圖區(qū)(060）4-67764區(qū)(60120）267-7-62區(qū)(120180）2-3773-2區(qū)（180240）1-3-77-31區(qū)（240300）1-5-7-7-51區(qū)（300360）4-5-77-5-41.3 svpwm 控制算法通過以上 svpwm 的法則推導(dǎo)分析可知要實(shí)現(xiàn)svpwm信號(hào)的實(shí)時(shí)調(diào)制,首先需要知道參考電壓矢量 uref 所在的區(qū)間位置，然后利用所

15、在扇區(qū)的相鄰兩電壓矢量和適當(dāng)?shù)牧闶噶縼砗铣蓞⒖茧妷菏噶?。圖210是在靜止坐標(biāo)系（，）中描述的電壓空間矢量圖,電壓矢量調(diào)制的控制指令是矢量控制系統(tǒng)給出的矢量信號(hào) uref，它以某一角頻率在空間逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),當(dāng)旋轉(zhuǎn)到矢量圖的某個(gè) 60扇區(qū)中時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算該區(qū)間所需的基本電壓空間矢量，并以此矢量所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)去驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)元件動(dòng)作。當(dāng)控制矢量在空間旋轉(zhuǎn) 360后，逆變器就能輸出一個(gè)周期的正弦波電壓.1.3.1 合成矢量 uref 所處扇區(qū) n 的判斷 空間矢量調(diào)制的第一步是判斷由 u 和 u所決定的空間電壓矢量所處的扇區(qū).假定合成的電壓矢量落在第 i 扇區(qū)，可知其等價(jià)條件如下:0arctan（u/u)0

16、，u0 且u/ uu0 ， 且u/ |u|u0 ，u0 且u/ uu0 ，uu0 ，u0 且-u/u0 ，則 c=1,否則 c=0?？梢钥闯?a，b，c 之間共有八種組合，但由判斷扇區(qū)的公式可知 a,b，c 不會(huì)同時(shí)為 1 或同時(shí)為 0，所以實(shí)際的組合是六種，a,b,c 組合取不同的值對(duì) 應(yīng)著不同的扇區(qū),并且是一一對(duì)應(yīng)的，因此完全可以由 a，b，c 的組合判斷所在的扇區(qū)。為區(qū)別六種狀態(tài)，令 n=4c+2*b+a，則可以通過下表計(jì)算參考電壓 矢量 uref 所在的扇區(qū)。表 23 p 值與扇區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系n315462扇區(qū)號(hào)采用上述方法,只需經(jīng)過簡(jiǎn)單的加減及邏輯運(yùn)算即可確定所在的扇區(qū),對(duì)于提高系統(tǒng)的響

17、應(yīng)速度和進(jìn)行仿真都是很有意義的。1.3.2 基本矢量作用時(shí)間計(jì)算與三相 pwm 波形的合成 在傳統(tǒng) svpwm 算法如 式（2-34）中用到了空間角度及三角函數(shù),使得直接計(jì)算基本電壓矢量作用時(shí)間 變得十分困難。實(shí)際上,只要充分利用 u 和 u 就可以使計(jì)算大為簡(jiǎn)化。以 uref 處在第扇區(qū)時(shí)進(jìn)行分析，根據(jù)圖 210 有:p 經(jīng)過整理后得出： 同理可求得uref在其它扇區(qū)中各矢量的作用時(shí)間,結(jié)果如表2-4所示。由此可根據(jù)式2-36 中的u1 、u 2 、u3 判斷合成矢量所在扇區(qū)，然后查表得出兩非零矢量的作用時(shí)間,最后得出三相pwm波占空比，表24可以使svpwm算法編程簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn).為了實(shí)現(xiàn)對(duì)算法

18、對(duì)各種電壓等級(jí)適應(yīng)，一般會(huì)對(duì)電壓進(jìn)行標(biāo)幺化處理，實(shí)際電壓，為標(biāo)幺值，在定點(diǎn)處理其中一般為q12格式，即標(biāo)幺值為1時(shí)，等于4096，假定電壓基值為，unom為系統(tǒng)額定電壓，一般為線電壓，這里看出基值為相電壓的峰值。以dsp的pwm模塊為例，假設(shè)開關(guān)頻率為fs，dsp的時(shí)鐘為fdsp,根據(jù)pwm的設(shè)置要是想開關(guān)頻率為fs時(shí)，pwm周期計(jì)數(shù)器的值為ntpwm=fdsp/fs/2,則對(duì)時(shí)間轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)值進(jìn)行如下推導(dǎo)：其中和為實(shí)際值的標(biāo)幺值，令發(fā)波系數(shù)，ksvpwm=同理可以得到表 24 各扇區(qū)基本空間矢量的作用時(shí)間扇區(qū)時(shí)間itn4=tnxtn6=tnytn2=tnxtn6=tnytn2=tnxtn3=t

19、nytn1=tnxtn3=tnytn1=tnxtn5=tnytn4=tnxtn5=tny由公式(238）可知，當(dāng)兩個(gè)零電壓矢量作用時(shí)間為0時(shí)，一個(gè)pwm周期內(nèi)非零電壓矢量的作用時(shí)間最長(zhǎng)，此時(shí)的合成空間電壓矢量幅值最大，由圖2-12可 知其幅值最大不會(huì)超過圖中所示的正六邊形邊界.而當(dāng)合成矢量落在該邊界之外 時(shí)，將發(fā)生過調(diào)制,逆變器輸出電壓波形將發(fā)生失真。在svpwm調(diào)制模式下， 逆變器能夠輸出的最大不失真圓形旋轉(zhuǎn)電壓矢量為圖2-12所示虛線正六邊形的 內(nèi)切圓，其幅值為:，即逆變器輸出的不失真最大 正弦相電壓幅值為 ，而若采用三相spwm調(diào)制，逆變器能輸出的不失真最大正弦相電壓幅值為 u dc /

20、2 .顯然svpwm 調(diào)制模式下對(duì)直流側(cè)電壓利用率更高，它們的直流利用率 之比為 ，即svpwm法比spwm法的直流電壓利用率提高了15。47%.圖2-12 svpwm模式下電壓矢量幅值邊界如圖當(dāng)合成電壓矢量端點(diǎn)落在正六邊形與外接圓之間時(shí)，已發(fā)生過調(diào)制，輸出電壓將發(fā)生失真，必須采取過調(diào)制處理，這里采用一種比例縮小算法。定義每個(gè)扇區(qū)中先發(fā)生的矢量用為 tnx，后發(fā)生的矢量為 tny.當(dāng) tx+tytnpwm 時(shí),矢量端點(diǎn)在正六邊形之內(nèi)，不發(fā)生過調(diào)制；當(dāng) tnx+tny tnpwm時(shí)，矢量端點(diǎn)超出正六邊形，發(fā)生過調(diào)制。輸出的波形會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的失真,需采取以下措施：設(shè)將電壓矢量端點(diǎn)軌跡端點(diǎn)拉回至正六邊

21、形內(nèi)切圓內(nèi)時(shí)兩非零矢量作用時(shí)間分別為 tnx，tny，則有比例關(guān)系: （239）因此可用下式求得 tnx,tny，tn0，tn7:(2-40）按照上述過程，就能得到每個(gè)扇區(qū)相鄰兩電壓空間矢量和零電壓矢量的作用時(shí)間。當(dāng)u ref所在扇區(qū)和對(duì)應(yīng)有效電壓矢量的作用時(shí)間確定后，再根據(jù)pwm調(diào)制原理,計(jì)算出每一相對(duì)應(yīng)比較器的值，其運(yùn)算關(guān)系如下在i扇區(qū)時(shí)如下圖, （2-41）同理可以推出5段時(shí)，在i扇區(qū)時(shí)如式, （242）不同pwm比較方式，計(jì)數(shù)值會(huì)完全不同，兩者會(huì)差180度段數(shù)以倒三角計(jì)數(shù)，對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的值以正三角計(jì)數(shù),對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的值75其他扇區(qū)以此類推，可以得到表2-5,式中 ntaon 、ntbon 和ntcon 分別是相應(yīng)的比較器的計(jì)數(shù)器值,