基于三相坐标系的SVPWM算法研究与仿真

张磊　李强　王冬　李军营　徐亚美

【摘 要】本文在对经典空间矢量脉宽调制（SVPWM）方法进行分析后提出了一种基于三相坐标系的两电平三相电压源电机控制器用SVPWM调制方法。对经典SVPWM算法和基于三相坐标系的SVPWM算法进行了建模仿真分析。仿真结果显示，基于三相坐标系的SVPWM算法与经典SVPWM算法的A相相电压调制波和FFT分析数据一致，且不需要计算扇区及复杂的三角函数运算，简单易于工程运用。

【关键词】空间矢量脉宽调制（SVPWM）;三相坐标系;两电平逆变器

中图分类号： TM464 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）27-0045-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.020

【Abstract】Analyzed on classical space vector pulse-width modulation （SVPWM） algorithm，A  SVPWM algorithm with two-level based on three-phase voltage-source converter is proposed in this study.Simulation models of the two SVPWM algorithms are built and simulated.simulation results show that the new SVPWM are same effects with classical SVPWM algorithm by analyzing the phase voltage modulated wave and FFT data，and also the new SVPWM is easier to operate.

【Key words】Space Vector Pulse-width Modulation）SVPWM;Three-Phase Axes;Two-level converter

0 引言

电机输入三相正弦电压的目的是为了在空间产生圆形旋转磁场，从而得到恒定的电磁转矩，正弦脉宽调制（SPWM）是从电源角度出发，生成一个可调频调压的三相对称正弦波电源，未顾及输出电流的波形，容易产生高次谐波分量，引起电机发热，转矩脉动过大甚至引起系统震荡。SVPWM从电动机的角度出发，着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场，以三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基准，在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，通过控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近圆形轨迹旋转，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，这种控制方法又被称为“磁链跟踪控制”[1]。相比于正弦脉宽调制（SPWM），SVPWM具有更高的电压利用率、谐波分量少、易于数字化实施等优点，然而经典SVPWM进行扇区计算及对基本电压矢量持续时间的计算均需要利用三角函数等，增加了DSP的运行时间。

1 SVPWM算法

1.1 经典SVPWM基本原理

图1为三相电压型逆变器示意图，其输出相电压依赖于逆变器三相桥臂功率开关的状态。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。

图2为SVPWM的电压空间矢量示意图，上下桥臂3对开关组合对应8个三相空间电压矢量，除2条零矢量外，其余6条非零矢量（模为2vdc/3）对称均匀分布在复平面上。对于任一给定的空间电压矢量Uref，均可由8条三相空间电压矢量合成。零矢量不会改变磁链圆形轨迹的形状，只是改变磁链的旋转速度，用来调节矢量作用时间，Uref在复平面上匀速旋转，就对应到了三相对称的正弦量[2]。

2 仿真结果分析

基于上述论述，搭建经典SVPWM和基于三相坐标系的SVPWM模型，在参考电压、采样频率等所有参数均一致的情况下，对比两种SVPWM算法。

图4为经典SVPWM的扇区计算，可以看出由扇区I至扇区VI变化，符合图2中扇区随电压矢量逆时针旋转的特性。图5为经典SVPWM的相电压调制波，图7为基于三相坐标系的SVPWM的相电压调制波，由图可知两种方法得到的相电压调制波均为马鞍波，幅值、相位差和频率均一致。图6为经典SVPWM的A相相电压及其FFT分析，图8为基于三相坐标系的SVPWM的A相相电压及其FFT分析，由FFT分析可知，两种SVPWM算法得到的A相相电压基波幅值均为343.6V，THD相差0.03%。

3 结束语

SVPWM算法相比较SPWM算法电压利用率提高了15.4%[6]～[7]，然而其运算过程中含有扇区计算，矢量作用时间计算时需要用到三角函数，增加了处理器的运算量。本文在经过对经典SVPWM算法进行推导后，提出了基于三相坐标系的SVPWM算法，并对两种算法进行了对比建模仿真分析，仿真结果表明，基于三相坐标系的SVPWM运算简单，更利于工程应用，同时，两种方法得到的相电压调制波、FFT分析结果基本一致。

【参考文献】

[1]王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：北京工业出版社，2010.

[2]赵贺，林海雪.论电工领域中对alpha-beta转换的误用[J].电网技术，2013，37（11）：2997-3000.

[3]徐德鴻.电力电子系统建模及控制[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]周卫平，吴正国，唐劲松.SVPWM的等效算法及SVPWM与SPWM的本质联系[J].中国电机工程学报，2006，26（2）：133-137.

[5]Texas Instruments.Space-vector PWM with TMS320C24x Using H/W &S/W Determined Switching Patterns.1999.

[6]袁登科，徐延东，李秀涛.永磁同步电机变频调速系统及其控制[M].北京：机械工业出版社，2015.

[7]袁雷，胡冰新等.现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2016.