SPWM与SVPWM之比较-(2)

SPWM与SVPWM之比较在PMSM(永磁同步电动机)控制系统中,SPWM(正弦脉宽调制)和SVPWM(空间矢量脉宽调制)是目前应用最广泛的两种调制策略,但两者的原理、实现方法各不相同,对PMSM的控制效果也不相同。SPWM是采用高频三角波与调制波比较生成PWM波,控制IGBT逆变桥,驱动PMSM运转;而SVPWM则是通过空间矢量的方法在PMSM的三相定子绕组中产生正弦波电流,形成旋转磁场,使电动机运转。一、原理比较(1)、SPWM正弦PWM的信号波为正弦波,就是正弦波等效成一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形,其脉冲宽度是由正弦波和三角波自然相交生成的.正弦波波形产生的方法有很多种,但较典型的主要有:对称规则采样法、不对称规则采样法和平均对称规则采样法三种.第一种方法由于生成的PWM脉宽偏小,所以变频器的输出电压达不到直流侧电压的倍;第二种方法在一个载波周期里要采样两次正弦波,显然输出电压高于前者,但对于微处理器来说,增加了数据处理量当载波频率较高时,对微机的要求较高;第三种方法应用最为广泛的,它兼顾了前两种方法的优点.SPWM虽然可以得到三相正弦电压,但直流侧的电压利用率较低,最大是直流侧电压的倍,这是此方法的最大的缺点.(2)SVPWM电压空间矢量PWM(SVPWM)的出发点与SPWM不同,SPWM调制是从三相交流电源出发,其着眼点是如何生成一个可以调压调频的三相对称正弦电源.而SVPWM是将逆变器和电动机看成一个整体,用八个基本电压矢量合成期望的电压矢量,建立逆变器功率器件的开关状态,并依据电机磁链和电压的关系,从而实现对电动机恒磁通变压变频调速.若忽略定子电阻压降,当定子绕组施加理想的正弦电压时,由于电压空间矢量为等幅的旋转矢量,故气隙磁通以恒定的角速度旋转,轨迹为圆形.SVPWM比SPWM的电压利用率高15%,这是两者最大的区别,但两者并不是孤立的调制方式,典型的SVPWM是一种在SPWM的相调制波中加入了零序分量后进行规则采样得到的结果,因此SVPWM有对应SPWM的形式.反之,一些性能优越的SPWM方式也可以找到对应的SVPWM算法,所以两者在谐波的大致方向上是一致的,只不过SPWM易于硬件电路实现,而SVPWM更适合于数字化控制系统.二、算法比较(1)、SPWMSPWM脉冲生成原理如图所示。将一个正弦信号作为基准调制波,与一个高频等腰三角载波进行比较,得到一个等距、等幅但宽度不同的脉冲序列。脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时,脉冲的宽度也最大,而脉冲间的间隔则最小；反之,当正弦值较小时,脉冲的宽度也小,而脉冲间的间隔则较大,这就是SPWM脉冲。用6个SPWM脉冲序列分别控制6个IGBT导通或者截止,便能在三相定子绕组上得到交流信号,从而驱动PMSM运转。(2)、SVPWM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π/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2π弧度，形成一个封闭的正六边形。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。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。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。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。第Ⅰ扇区内一段区间的开关序列与逆变器三相电压波形三、理论比较调制比即为逆变器输出电压与直流母线电压的比值，直流母线电压利用率是指逆变电路所能输出的交流电压基波最大幅值Um和直流电压Ud之比。SPWM中在调制度最大为1时，输出相电压的基波幅值为Ud/2，输出线电压的基波幅值为√32Ud，直流电压利用率仅为0.866。SVPWM中，输出相电压的基波幅值与输出线电压的基波幅相等值为√33Ud，直流电压利用率为1。SVPWM比SPWM的直流利用率提高了15.47%。SPWM和SVPWM谐波都主要集中在采样频率及其整数倍附近，且谐波幅值的极大值随采样频率倍数的增大而迅速衰减。从谐波分布趋势上讲，SPWM相对集中，幅值较大：SVPWM则相对分散，幅值较小。由下表2计算所得的总谐波畸变率可知，SVPWM方式输出波形的谐波含量低于SPWM方传统的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为目的。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。SVPWM本身的产生原理与PWM没有任何关系，只是像罢了，SVPWM合成的驱动波形和PWM很类似，因此我们还叫它PWM，又因这种PWM是基于电压空间矢量去合成的，所以就叫它SVPWM了。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。归纳起来，SVPWM控制模式有以下特点：1)逆变器的一个工作周期分成6个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的一拍。为了使电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间Ts，Ts越短，旋转磁场越接近圆形，但Ts的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制约。2)在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因而开关损耗较小。3)每个小区间均以零电压矢量开始，又以零矢量结束。4)利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。5)采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压提高了15%。