电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术

6.4.4电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术（或称磁链跟踪控制技术）本节提要•问题的提出•空间矢量的定义•电压与磁链空间矢量的关系•六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场•电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制问题的提出经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要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。如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，下面的讨论将表明，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”。1.空间矢量的定义交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示，定义为空间矢量uA0，uB0，uC0。图6-25电压空间矢量•电压空间矢量的相互关系•定子电压空间矢量：uA0、uB0、uC0的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120°。•合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量us是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3/2倍。电压空间矢量的相互关系（续）当电源频率不变时，合成空间矢量us以电源角频率1为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量us就落在该相的轴线上。用公式表示，则有C0B0A0suuuu（6-39）与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量Is和Ψs。2.电压与磁链空间矢量的关系三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为tRddssssΨIu（6-40）式中us—定子三相电压合成空间矢量；Is—定子三相电流合成空间矢量；Ψs—定子三相磁链合成空间矢量。•近似关系当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式（6-40）中所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为tddssΨu（6-41）tdssuΨ（6-42）或•磁链轨迹当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。tj1eΨmsΨ（6-43）其中Ψm是磁链Ψs的幅值，1为其旋转角速度。由式（6-41）和式（6-43）可得)2π(m1m1ms111ee)e(ddtjtjtjΨΨjΨtu（6-44）上式表明，当磁链幅值一定时，的大小与（或供电电压频率）成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向，•磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。图6-26旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹3.六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场（1）电压空间矢量运动轨迹在常规的PWM变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？为了讨论方便起见，再把三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图绘出，图6-27中六个功率开关器件都用开关符号代替，可以代表任意一种开关器件。•主电路原理图图6-27三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图•开关工作状态如果，图中的逆变器采用180°导通型，功率开关器件共有8种工作状态（见附表），其中–6种有效开关状态；–2种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：上桥臂开关VT1、VT3、VT5全部导通下桥臂开关VT2、VT4、VT6全部导通开关状态表序号开关状态开关代码1VT6VT1VT21002VT1VT2VT31102VT2VT3VT40104VT3VT4VT50115VT4VT5VT60016VT5VT6VT11017VT1VT3VT51118VT2VT4VT6000•开关控制模式对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔/3时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这/3时刻内则保持不变。（a）开关模式分析•设工作周期从100状态开始，这时VT6、VT1、VT2导通，其等效电路如图所示。各相对直流电源中点的电压都是幅值为UAO’=Ud/2UBO’=UCO’=-Ud/2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2（b）工作状态100的合成电压空间矢量•由图可知，三相的合成空间矢量为u1，其幅值等于Ud，方向沿A轴（即X轴）。u1uAO’-uCO’-uBO’ABC（c）工作状态110的合成电压空间矢量•u1存在的时间为/3，在这段时间以后，工作状态转为110，和上面的分析相似，合成空间矢量变成图中的u2，它在空间上滞后于u1的相位为/3弧度，存在的时间也是/3。u2uAO’-uCO’uBO’ABC（d）每个周期的六边形合成电压空间矢量u1u2u3u4u5u6u7u8依此类推，随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转/3，直到一个周期结束。这样，在一个周期中6个电压空间矢量共转过2弧度，形成一个封闭的正六边形，如图所示。（2）定子磁链矢量端点的运动轨迹•电压空间矢量与磁链矢量的关系一个由电压空间矢量运动所形成的正六边形轨迹也可以看作是异步电动机定子磁链矢量端点的运动轨迹。对于这个关系，进一步说明如下：图6-29六拍逆变器供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系设在逆变器工作开始时定子磁链空间矢量为1，在第一个/3期间，电动机上施加的电压空间矢量为图6-28d中的u1，把它们再画在图6-29中。按照式（6-41）可以写成也就是说，在/3所对应的时间t内，施加u1的结果是使定子磁链1产生一个增量，其幅值|u1|与成正比，方向与u1一致，最后得到图6-29所示的新的磁链，而11Ψut（6-45）112（6-46）依此类推，可以写成的通式iiΨutii1i（6-47）6,2,1i（6-48）总之，在一个周期内，6个磁链空间矢量呈放射状，矢量的尾部都在O点，其顶端的运动轨迹也就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系如果u1的作用时间t小于/3，则i的幅值也按比例地减小，如图6-30中的矢量。可见，在任何时刻，所产生的磁链增量的方向决定于所施加的电压，其幅值则正比于施加电压的时间。AB图6-30磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系4.电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制如前分析，我们可以得到的结论是：–如果交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆变器供电，磁链轨迹便是六边形的旋转磁场，这显然不象在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。–如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个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，必须对逆变器的控制模式进行改造。•圆形旋转磁场逼近方法PWM控制显然可以适应上述要求，问题是，怎样控制PWM的开关时间才能逼近圆形旋转磁场。科技工作者已经提出过多种实现方法，例如线性组合法，三段逼近法，比较判断法等[31]，这里只介绍线性组合法。•基本思路图6-31逼近圆形时的磁链增量轨迹如果要逼近圆形，可以增加切换次数，设想磁链增量由图中的11，12，13，14这4段组成。这时，每段施加的电压空间矢量的相位都不一样，可以用基本电压矢量线性组合的方法获得。•线性组合的方法图6-32电压空间矢量的线性组合图6-32表示由电压空间矢量和的线性组合构成新的电压矢量。设在一段换相周期时间T0中，可以用两个矢量之和表示由两个矢量线性组合后的电压矢量us，新矢量的相位为。（1）线性组合公式可根据各段磁链增量的相位求出所需的作用时间t1和t2。在图6-32中，可以看出sincosss202101suuuuujTtTt（6-49）（2）相电压合成公式根据式（6-39）用相电压表示合成电压空间矢量的定义，把相电压的时间函数和空间相位分开写，得2C0B0A0se)(e)()(jjtttuuuu（6-50）式中=120。（3）线电压合成公式若改用线电压表示，可得jtte)()(BCABsuuu（6-50）几种表示法的比较：由图6-27可见，当各功率开关处于不同状态时，线电压可取值为Ud、0或–Ud，比用相电压表示时要明确一些。•作用时间的确定这样，根据各个开关状态的线电压表达式可以推出020201d0201d0201d3π0201d3πd02d01s23223213πsin3πcoseeTtjTtTtUjTtTtUjTtTtUTtTtUUTtUTtjju（6-52）比较式（6-52）和式（6-49），令实数项和虚数项分别相等，则d0201s2cosUTtTtud02s23sinUTtu•解t1和t2，得dsds01sin31cosUUTtuuds02sin32UTtu（6-53）（6-54）•零矢量的使用换相周期T0应由旋转磁场所需的频率决定，T0与t1+t2未必相等，其间隙时间可用零矢量u7或u8来填补。为了减少功率器件的开关次数，一般使u7和u8各占一半时间，因此)(2121087ttTtt（6-55）≥0•电压空间矢量的扇区划分为了讨论方便起见，可把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分成6个区域，称为扇区（Sector），如图所示的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ，每个扇区对应的时间均为/3。由于逆变器在各扇区的工作状态都是对称的，分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区。•电压空间矢量的6个扇区图6-33电压空间矢量的放射形式和6个扇区•在常规六拍逆变器中一个扇区仅包含两个开关工作状态。•实现SVPWM控制就是要把每一扇区再分成若干个对应于时间T0的小区间。按照上述方法插入若干个线性组合的新电压空间矢量us，以获得优于正六边形的多边形（逼近圆形）旋转磁场。•开关状态顺序原则在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引起的开关损耗，因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。•插值举例每一个T0相当于PWM电压波形中的一个脉冲波。•例如：图6-32所示扇区内的区间包含t1，t2，t7和t8共4段，相应的电压空间矢量为u1，u2，u7和u8，即100，110，111和000共4种开关状态。为了使电压波形对称，把每种状态的作用时间都一分为二，因而形成电压空间矢量的作用序列为：12788721，其中1表示作用u1，2表示作用u2，……。这样，在这一个时间内，逆变器三相的开关状态序列为100，110，111，000，000，111，110，100。按照最小开关损耗原则进行检查，发现上述1278的顺序是不合适的。为此，应该把切换顺序改为81277218，即开关状态序列为000，100，110，111，111，110，100，000，这样就能满足每次只切换一个开关的要求了。•T0区间的电压波形图6-34第Ⅰ扇区内一段区间的开关序列与逆变器三相电压波形虚线间的每一小段表示一种工作状态•如上所述，如果一个扇区分成4个小区间，则一个周期中将出现24个脉冲波，而功率器件的开关次数还更多，须选用高开关频率的功率器件。当然，一个扇区内所分的小区间越多，就越能逼近圆形