永磁同步电机的矢量控制策略（六）一一一SPWM控制

5.永磁同步电机的矢量控制策略（六）

写在前面

Q：解释一下，为什么现在常用的还是SPWM，而不是SVPWM？回答这个问题，其实也是回答了SPWM和SVPWM的区别和各自的优缺点。

A：这个问题需要从SPWM和SVPWM的基本定义、实现原理、设计角度和适用范围等来回答。
首先，
SPWM原理：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。

SVPWM原理：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.
接下来，就SPWM和SVPWM的具体实现来进行分析。以下博客将进行详细的讲解。

5.1 SPWM的具体实现

常规的SPWM控制是将三角载波和对称的三相正弦调制波作比较，且生成PWM波形，这实际上是一种相电压控制方式。然而，SVPWM是一种通过基本矢量的作用时间进行合成为圆形磁链的矢量，进而等效为可调压调频的三相对称正弦电源。最终二者控制方式，都是让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。（这是针对正弦波的控制而言，当然还有其他方式如方波控制）。


然而，针对不同载波与正弦波的比较，生成的PWM波有不同的方法，如：

为何采用三角载波？
因为三角波是等腰三角波，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。脉冲宽度时间占空比按正弦规律进行排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。同时，为了进一步提升直流侧电压的利用率，载波也可以是用锯齿波的，这样调制出来的信号，和其输入信号（调制波）进行相比，低频频谱基本一致。

本博客所采用的是双极性调制法生成三相PWM波形

其中，PWM控制波生成控制逆变桥上下桥的开关与导通，在实际当中不允许同一桥臂的上下逆变器同时导通，否则直接相当于将电机置于短路，会造成相电流过大，从而烧坏电机。因此，需要考虑以下问题，如死区效应以防直通。

然而上述死区效应的存在，会使得产生的正弦波波形发生偏移或者变形，从而存在相电流的谐波，进而导致电机的转矩脉动较大。




特定谐波消去法（SHEPWM）的总结如下：
1.一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去k-1个频率的特定谐波；
2.k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。

5.2 SPWM的仿真建模

1.双极性调制法生成三相PWM波形

载波比较波形如下：

三相正弦波形PWM输出如下：

2.基于三次谐波注入的SPWM算法

三相正弦波形PWM输出如下：


对比注入三次谐波的方法发现看看，感觉改进的效果不是很明显呢，可能具体实际应用有别的发现，还请期待后续更新。

参考资料

[1] https://wenku.baidu.com/view/94d443c9da38376baf1faebf.html
[2] https://wenku.baidu.com/view/ccfee735a32d7375a41780e7.html
[3] https://wenku.baidu.com/view/80e90aefb8f67c1cfad6b80c.html