逆变器电流轨迹怎么看



电机控制系列-No.1-Op.17----SVPWM

SVPWM（空间矢量脉宽调制）详解

SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制）是一种用于三相交流电机（如永磁同步电机和异步电机）的高级控制策略。其主要目的是通过控制逆变器输出的三相电压，间接控制三相电流，从而生成近似连续的圆形旋转磁场，以优化电机的性能。

一、SVPWM的工作原理与磁场的生成

电压矢量合成

SVPWM基于空间矢量的概念，将逆变器的六种开关状态（对应六个基本电压矢量）组合起来。这六个基本电压矢量在空间中呈六边形分布，每个矢量代表了逆变器在一种特定开关组合下输出的电压状态。通过合理地选择这些基本电压矢量的作用时间和顺序，可以合成一个等效的、近似连续的旋转电压矢量。

例如，在一个简单的三相两电平逆变器中，有8种开关状态，但其中有两种是零矢量（三个桥臂的上管或下管全部导通）。剩下的六种非零基本电压矢量在空间上构成一个六边形。通过对这些基本电压矢量进行时间加权平均（通过调节每个矢量的作用时间，即脉宽调制），可以使合成的电压矢量在六边形内的轨迹更接近圆形。

磁场与电压矢量的关联

根据电机的电磁理论，电机中的磁场强度与电压矢量密切相关。当通过SVPWM合成一个近似圆形旋转的电压矢量时，会在电机定子绕组中产生相应的三相电流。这些电流会产生一个合成磁场，其轨迹也近似为圆形旋转。这种圆形旋转磁场可以使电机的转矩输出更加平稳，减少转矩脉动。

对于永磁同步电机，圆形旋转磁场与转子磁场相互作用，产生稳定的电磁转矩。在异步电机中，旋转磁场在定子绕组和转子绕组中分别感应出电动势和电流，从而产生驱动电机旋转的电磁转矩。由于SVPWM能够有效、快速地控制磁场的旋转速度和强度，还可以实现电机的精确调速和转矩控制，使其具有更好的动态性能。

二、合成矢量的计算

当要合成某一矢量时，先将这一矢量分解到离它最近的两个基本矢量，而后用这两个基本矢量去表示，而每个基本矢量的作用大小就利用作用时间长短去代表。

用电压矢量按照不同的时间比例去合成所需要的电压矢量，从而保证生成电压波形近似于正弦波。在变频电机驱动时，矢量方向是连续变化的，因此需要不断的计算矢量作用时间。为了计算机处理的方便，在合成时一般是定时器计算（如每0.1ms计算一次）。这样只要算出在0.1ms内两个基本矢量作用的时间就可以了。由于计算出的两个时间的总和可能并不是0.1ms（比这小），而那剩下的时间就按情况插入合适零矢量。

三、七段式电压空间矢量

将一个控制周期Ts分成7部分，形成一种对称的PWM波形，这种波形可以尽可能减少开关次数。七段式电压空间矢量PWM波形的关键参数是T0、T1、T2，且有Ts=T0+T1+T2。

据此，计算出T1、T2、T0后，就可以计算三相的占空比。知道所在扇区后，按七段式PWM图计算三相各自的占空比。这是一个调制周期Ts所对应的三相波形，一个Ts之后，合成矢量将增加一个角度γ，此时需要重新计算三相波形。

四、SVPWM的优势

与其他控制方法相比，SVPWM控制三相逆变器具有直流母线电压利用率高、在调节输出电压基波大小的同时降低输出电压谐波、并且可以降低逆变器状态转换过程中的开关动作频率等优势。

五、附录

IGBT开关载波的常见类型

在IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的调制技术中，最常见的开关载波是三角波。采用三角波作为载波主要用于脉宽调制（PWM）技术，特别是在三相逆变器等电机驱动电路中广泛应用。

三角波作为载波的原理和优势

原理：在正弦脉宽调制（SPWM）技术中，三角波作为载波与正弦波（调制波）进行比较。当正弦波的幅值大于三角波幅值时，产生高电平信号驱动IGBT导通；当正弦波幅值小于三角波幅值时，产生低电平信号驱动IGBT关断。这样就可以在IGBT的输出端得到一系列宽度随正弦波幅值变化的脉冲信号，这些脉冲信号的平均值近似为正弦波，从而实现对交流电机的近似正弦波供电。

优势：线性度好，易于实现数字化控制。

综上所述，SVPWM是一种高效且先进的电机控制策略，它通过精确控制逆变器输出的三相电压来生成近似连续的圆形旋转磁场，从而优化电机的性能。

1.1永磁同步电机——矢量控制（FOC）

永磁同步电机（PMSM）的矢量控制，主要目标是通过控制逆变器输出电压，得到相应的转速。矢量控制核心在于Clark变换与Park变换，这两变换分别将三相定子电流分解为励磁分量和转矩分量，对于表贴式永磁同步电机，主要控制励磁，也会影响转矩。

一、三相PMSM坐标变换：

Clark变换和Park变换是坐标系之间的转换方式。Clark变换将自然坐标系ABC坐标转换到静止坐标系[公式]，Park变换则相反。Clark变换的坐标变换矩阵为[公式]，反Clark变换矩阵为[公式]。Park变换中，坐标变换矩阵为[公式]，反Park变换矩阵为[公式]。基于此变换，得到自然坐标系ABC到同步旋转坐标系[formula] 的关系。

二、PMSM数学建模：

基于Park变换的数学模型中，定子电压方程、磁链方程可得到电磁转矩方程，以及几个关键的关系式。

三、三相空间矢量：

三相空间矢量技术采用逆变器空间电压矢量切换，通过该技术可获得准圆形旋转磁场，达到改善控制性能、减少谐波、提高电压利用率、降低电机转矩脉动的目的。空间矢量合成的方法将逆变器三相输出的标量转换为矢量，其运动轨迹如下图所示。

四、SVPWM算法实现：

实现三相空间矢量变换的技术，即SVPWM算法，首先需判断电压空间矢量的扇区，确定合成矢量使用的基矢量。计算各矢量作用时间，最后确定矢量切换点。

五、基于PI调节器的PMSM矢量控制仿真：

基于给定参数，通过simulink建立电机模型，设定仿真条件，结果显示转速、转矩及三相定子电流波形。

结语：

以上内容涉及的理论知识源自《现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真》一书。如有需求，可前往闲鱼购买电子版及仿真模型。欢迎在评论区就永磁同步电机知识进行友好交流。

三相变频器的工作原理是什么?

1. SPWM（正弦脉宽调制）的基本特征是使用与期望输出电压波频率相同的正弦波作为调制波，并以频率更高的等腰三角波作为载波。通过这两个波形的交点来确定逆变器开关器件的通断时刻，从而生成脉冲宽度按正弦规律变化的脉冲序列。

2. CFPWM（电流反馈脉宽调制）的基本特征是在主回路的基础上增加电流闭环控制，使得实际电流能够快速跟随给定值。

3. SVPWM（空间矢量脉宽调制）的基本特征是将逆变器和交流电动机视为一个整体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作。通过交替使用不同的电压空间矢量来控制磁链轨迹。

这些调制技术的优缺点如下：

1. SPWM的优点是调制波为正弦波，易于实现。但其缺点是输出电压中含有谐波分量，可能导致电动机转矩脉动。

2. CFPWM的优点是精度高、响应快，易于实现电流闭环控制。但其缺点是功率开关器件的开关频率不定。

3. SVPWM的优点是能够生成接近圆形的旋转磁链，谐波分量较大，但可以通过合成相邻的有效工作矢量来生成任意的期望输出电压矢量。其缺点是计算相对复杂，且对开关频率的要求较高。

空间电压矢量调制 SVPWM技术

空间电压矢量调制SVPWM技术详解

空间电压矢量调制（Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM）是一种用于三相功率逆变器的先进调制技术。它通过特定的开关模式产生脉宽调制波，使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。SVPWM技术着眼于如何使电机获得理想的圆形磁链轨迹，从而提高电机的运行性能和效率。

一、SVPWM的基本原理

SVPWM的理论基础是平均值等效原理。在一个开关周期内，通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。这些基本电压矢量由逆变器的六个功率开关元件（A+，A-，B+，B-，C+，C-）的不同组合产生。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。通过控制这些矢量的作用时间，可以使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，从而逼近理想磁通圆。

二、SVPWM的实现过程

确定基本电压矢量：逆变器输出的三相相电压分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量。这些矢量的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律变化，时间相位互差120°。

合成理想磁通圆：控制的目标是通过八个基本矢量（六个非零矢量和两个零矢量）合成所需的理想磁通圆。这需要通过计算确定每个基本矢量的作用时间，使得它们的平均值与给定电压矢量相等。

计算作用时间：以扇区1为例，可以通过公式计算出非零矢量U4和U6的作用时间T4和T6，以及零矢量U0或U7的作用时间T0或T7。这些时间在一个PWM周期内分配，以确保电压空间矢量按圆形轨迹旋转。

生成PWM波形：根据计算出的作用时间，可以生成相应的PWM波形。这些波形用于控制逆变器的开关元件，从而实现所需的输出电压和电流波形。

三、SVPWM技术的优点

降低谐波成分：SVPWM技术使得绕组电流波形的谐波成分减小，从而降低电机转矩脉动和噪音。

提高直流母线电压利用率：与传统的正弦PWM相比，SVPWM技术能更有效地利用直流母线电压，从而提高电机的输出功率和效率。

易于实现数字化：SVPWM技术的实现过程相对简单且易于数字化控制，便于在现代电机控制系统中应用。

四、SVPWM技术的应用

SVPWM技术广泛应用于各种需要高性能电机控制的场合，如永磁同步电机（PMSM）和三相感应电机等。通过精确控制电机的磁场和电流波形，可以实现更高的运行效率和更低的噪音水平。

五、结论

空间电压矢量调制SVPWM技术是一种先进的电机控制技术，它通过精确控制逆变器的开关元件来产生接近理想正弦波形的输出电压和电流。这种技术具有降低谐波成分、提高直流母线电压利用率和易于实现数字化等优点，在高性能电机控制领域具有广泛的应用前景。

以下是相关展示：

通过这些和详细解释，我们可以更直观地理解SVPWM技术的原理和实现过程。

电机学习过程（三）——SVPWM原理

SVPWM原理

SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）是一种先进的控制方法，它通过三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生脉宽调制波，使输出电流波形尽可能接近理想的正弦波形。以下是对SVPWM原理的详细解析：

一、SVPWM的基本原理

SVPWM的理论基础是平均值等效原理。在一个开关周期Tpwm内，通过对基本电压矢量进行组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域时，可由组成这个区域的两个相邻非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转。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，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。

二、电压空间矢量的合成

定义电压空间矢量：设直流母线侧电压为Udc，逆变器输出的三相相电压为UA、UB、UC，其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上。可以定义三个电压空间矢量UA(t)、UB(t)、UC(t)，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律变化，时间相位互差120°。

合成空间矢量：三相电压空间矢量相加的合成空间矢量U(t)在三相静止坐标系下和αβ坐标系下均可表示。在αβ坐标系下，合成空间矢量Us(t)是一个旋转的空间矢量，其旋转速度为输入电源角频率，且以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转。

基本电压空间矢量：逆变器三相桥臂共有6个开关管，可以产生8个基本电压空间矢量，包括6个非零矢量和2个零矢量。这些矢量在电压空间向量平面上形成一个正六边形。

三、SVPWM的实现

扇区划分：将电压空间向量平面等分成6个扇区，每个扇区对应一个特定的电压矢量组合。

时间分配：在每个扇区内，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量。即Uref=TxUx/T+TyUy/T+T0*U0/T，其中Uref为期望电压矢量，T为采样周期，Tx、Ty、T0分别为对应两个非零电压矢量Ux、Uy和零电压矢量U0在一个采样周期的作用时间。

PWM波形的生成：在确定了各个电压矢量的作用时间后，通过适当的开关切换顺序来生成PWM波形。为了减少开关次数和开关损耗，通常选择在每个开关状态转换时只改变其中一相的开关状态，并对零矢量在时间上进行了平均分配，以使产生的PWM波形对称。

四、SVPWM的优势

与SPWM相比，SVPWM具有以下优势：

绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低。旋转磁场更逼近圆形，提高了电机的运行性能。直流母线电压的利用率有了很大提高。更易于实现数字化控制。

五、SVPWM控制算法

要实现SVPWM信号的实时调制，首先需要判断参考电压矢量Uref所在的区间位置，然后利用所在扇区的相邻两电压矢量和适当的零矢量来合成参考电压矢量。判断扇区的方法通常是通过计算Uα和Uβ的值，并根据其几何关系来确定Uref所在的扇区。在确定扇区后，根据伏秒平衡原则计算各个电压矢量的作用时间，并通过适当的开关切换顺序来生成PWM波形。

以下是SVPWM控制算法中的一些关键步骤和公式：

判断扇区：通过计算Uβ、Uα-Uβ和-Uα-Uβ的值，并根据其符号来判断Uref所在的扇区。

计算作用时间：根据伏秒平衡原则，计算各个电压矢量的作用时间Tx、Ty和T0。

确定开关切换顺序：为了减少开关次数和开关损耗，通常选择在每个开关状态转换时只改变其中一相的开关状态，并对零矢量在时间上进行了平均分配。

生成PWM波形：根据计算出的作用时间和开关切换顺序，生成相应的PWM波形。

以上展示了逆变电路的结构、电压空间矢量的合成以及八个基本电压空间矢量的大小和位置，有助于更好地理解SVPWM原理。

svpwm算法原理及详解

SVPWM（空间电压矢量脉宽调制）是一种优化的PWM控制技术，能使输出电流接近正弦波，下面为你详细介绍其原理和算法步骤。

原理

SVPWM从三相输出电压整体效果出发，着眼于使电机获得理想圆形磁链轨迹。由三相功率逆变器的六个功率开关元件特定开关模式产生脉宽调制波，通过互差120度、大小随时间按正弦规律变化的3个分矢量合成一个大小不变的旋转总矢量，以此模拟旋转的电压矢量，从而产生旋转磁场驱动电机。与传统SPWM相比，SVPWM绕组电流谐波小、电机转矩脉动低、旋转磁场更圆、直流母线电压利用率高，且易实现数字化。

算法步骤判断参考电压矢量Uref所在扇区：电压空间被分为六个60°扇区，控制系统输出的矢量电压信号Uref在空间逆时针旋转。可根据Uα和Uβ的关系判断Uref所在扇区。例如，令U1 = Uβ，U2 = √3Uα - Uβ，U3 = -√3Uα - Uβ ，再定义若U1 > 0，则A = 1，否则A = 0；若U2 > 0，则B = 1，否则B = 0；若U3 > 0，则C = 1，否则C = 0，最后通过N = 4C + 2B + A确定扇区号。计算相邻两开关电压矢量作用时间：确定扇区后，求该扇区相邻两电压矢量和零矢量的作用时间。充分利用Uα和Uβ可简化计算，不同扇区的相邻两电压矢量作用时间可通过定义X、Y、Z（如X = Tsd / U，Y = (2√3Uβ - Uα) / (√3Udc)等）按对应表格取值。合成三相PWM信号：根据开关电压矢量作用时间，结合减少开关次数和使PWM对称的原则，确定开关状态转换顺序，对零矢量时间平均分配，以降低开关损耗和谐波分量，最终得到三相PWM信号，控制逆变器输出接近正弦波的电压驱动电机。

spwm、 cfpwm、 svpwm有什么区别？

SPWM、CFPWM和SVPWM的基本特征和各自的优缺点如下：

1、SPWM：

基本特征：以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列。

优缺点：普通的SPWM变频器输出电压带有一定的谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机转矩脉动，可以采用直接计算各脉冲起始与终了相位的方法，以消除指定次数的谐波。 

2、CFPWM：

基本特征：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。

优缺点：在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。精度高、响应快，且易于实现。但功率开关器件的开关频率不定。 

3、SVPWM：

基本特征：把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的。

优缺点：8个基本输出矢量，6个有效工作矢量和2个零矢量，在一个旋转周期内，每个有效工作矢量只作用1次的方式，生成正6边形的旋转磁链，谐波分量大，导致转矩脉动。 

扩展资料：

用相邻的2个有效工作矢量，合成任意的期望输出电压矢量，使磁链轨迹接近于圆。开关周期越小，旋转磁场越接近于圆，但功率器件的开关频率将提高。用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。与一般的SPWM相比较，SVPWM控制方式的输出电压最多可提高15%。

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