用于电机控制的空间矢量调制 (SVM)

实现使用空间矢量脉宽调制控制交流电机的算法

空间矢量调制 (SVM) 是感应电机和永磁同步电机 (PMSM) 磁场定向控制的常用方法。空间矢量调制负责生成脉宽调制信号以控制逆变器的开关,由此产生所需的调制电压,以所需的速度或转矩驱动电机。空间矢量调制也称为空间矢量脉宽调制 (SVPWM)。您可以使用 MATLAB®Simulink® 来实现空间矢量调制方法,或利用预置 SVM 库来实现电机控制应用。

SVM 的目标

试考虑三相逆变器电机控制的空间矢量调制,该逆变器具有六个开关,如以下等效电路所示。注意,有八种有效的开关配置。

连接到电机定子绕组的三相逆变器电路。
* 开关 S2、S4、S6 分别与 S1、S3、S5 互补。

每种开关配置都会产生特定的电压,施加于电机端子。电压是基本空间矢量,以空间矢量六边形表示其幅值和方向。

空间矢量六边形,包含基本矢量 U1-U8。

连接到电机定子绕组的三相逆变器电路。

通过对开关区间内的基本空间矢量(方向)和零矢量(幅值)作用时间进行调节,可以近似得到空间矢量六边形内任意位置、任意幅值的电压矢量。例如图中,一个脉宽调制 (PWM) 周期内,选择两个相邻空间矢量(图中的 U3 和 U4)分别作用一段时间、在周期其余时间内由零矢量(U7 或 U8)作用,从而得到近似平均参考矢量 Uref。

通过控制开关序列,即控制脉冲的导通持续时间,就可以在每个 PWM 周期获得具有变化幅值和方向的任何电压矢量。空间矢量调制方法的目标是在每个 PWM 周期生成与参考电压矢量相符的开关序列,以实现连续旋转的空间矢量。

旋转的参考空间矢量的示意图。

SVM 的操作

空间矢量调制方法基于参考电压矢量进行操作,在每个 PWM 周期为逆变器生成适当导通信号,目标是实现连续旋转的空间矢量。

采用空间矢量调制的磁场定向控制架构示意图。

该模块图显示了一个空间矢量调制工作流示例。

在每个 PWM 周期,以电压矢量作为输入参考,SVM 算法会:

  • 基于参考电压矢量计算开关导通时间
  • 基于导通时间生成马鞍波
  • 基于导通时间为逆变器开关生成适当的导通脉冲

SVM 算法生成的空间矢量调制电压信号。

所生成的马鞍波能够最大程度地利用直流总线电压。与正弦脉宽调制 (SPWM) 方法相比,该方法能提供更好的额定电压输出。

通过比较调制波(马鞍波)和载波生成导通脉冲。

然后,您可以将生成的导通信号应用于三相逆变器的开关,以所需的速度或转矩驱动电机。

PWM 硬件支持

硬件板卡(如 Arduino®、Raspberry Pi™ 和 TI 板)通过接收调制波形生成导通脉冲来驱动电力逆变器。

要进一步了解如何在 TI 硬件上实现 SVM 磁场定向控制,请观看此视频:使用 Simulink 实现 PMSM 的磁场定向控制,第 3 部分:部署 (4:52)

根据设计要求,采用 PWM 方法的电机控制算法通常需要以 kHz 级的较高频率执行。在耗费人力物力执行硬件测试之前,必须尽早评估控制架构的正确性。为此,您可以使用仿真环境。例如,使用 Simulink,您可以基于电机模型来仿真和验证控制架构,包括空间矢量调制等脉宽调制方法,并尽早修正错误。

要在 Simulink 中使用 SVM,请参考 Space Vector Generator 模块

要进一步了解如何设计和实现电机控制算法,请参阅 Motor Control BlocksetSimscape Electrical

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