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用于電機控制的空間矢量調制 (SVM)

  2021年09月24日  

  空間矢量調制 (SVM) 是感應電機和永磁同步電機 (PMSM) 磁場定向控制的常用方法。

  空間矢量調制負責生成脈寬調制信號以控制逆變器的開關,由此產生所需的調制電壓,以所需的速度或轉矩驅動電機。

  空間矢量調制也稱為空間矢量脈寬調制 (SVPWM)。您可以使用 MATLAB? 和 Simulink? 來實現空間矢量調制方法,或利用預置 SVM 庫來實現電機控制應用。

  SVM 的目標

  試考慮三相逆變器電機控制的空間矢量調制,該逆變器具有六個開關,如以下等效電路所示。注意,有八種有效的開關配置。

連接到電機定子繞組的三相逆變器電路。

* 開關 S2、S4、S6 分別與 S1、S3、S5 互補。

  每種開關配置都會產生特定的電壓,施加于電機端子。電壓是基本空間矢量,以空間矢量六邊形表示其幅值和方向。

空間矢量六邊形,包含基本矢量 U1-U8。

連接到電機定子繞組的三相逆變器電路。

  通過對開關區間內的基本空間矢量(方向)和零矢量(幅值)作用時間進行調節,可以近似得到空間矢量六邊形內任意位置、任意幅值的電壓矢量。

  例如圖中,一個脈寬調制 (PWM) 周期內,選擇兩個相鄰空間矢量(圖中的 U3 和 U4)分別作用一段時間、在周期其余時間內由零矢量(U7 或 U8)作用,從而得到近似平均參考矢量 Uref。

  通過控制開關序列,即控制脈沖的導通持續時間,就可以在每個 PWM 周期獲得具有變化幅值和方向的任何電壓矢量。

  空間矢量調制方法的目標是在每個 PWM 周期生成與參考電壓矢量相符的開關序列,以實現連續旋轉的空間矢量。

旋轉的參考空間矢量的示意圖。

  SVM 的操作

  空間矢量調制方法基于參考電壓矢量進行操作,在每個 PWM 周期為逆變器生成適當導通信號,目標是實現連續旋轉的空間矢量。

采用空間矢量調制的磁場定向控制架構示意圖。

該模塊圖顯示了一個空間矢量調制工作流示例。

  在每個 PWM 周期,以電壓矢量作為輸入參考,SVM 算法會:

  ● 基于參考電壓矢量計算開關導通時間

  ● 基于導通時間生成馬鞍波

  ● 基于導通時間為逆變器開關生成適當的導通脈沖

SVM 算法生成的空間矢量調制電壓信號。

  所生成的馬鞍波能夠最大程度地利用直流總線電壓。與正弦脈寬調制 (SPWM) 方法相比,該方法能提供更好的額定電壓輸出。

通過比較調制波(馬鞍波)和載波生成導通脈沖。

  然后,您可以將生成的導通信號應用于三相逆變器的開關,以所需的速度或轉矩驅動電機。

  PWM 硬件支持

  硬件板卡(如 Arduino?、Raspberry Pi? 和 TI 板)通過接收調制波形生成導通脈沖來驅動電力逆變器。

  根據設計要求,采用 PWM 方法的電機控制算法通常需要以 kHz 級的較高頻率執行。在耗費人力物力執行硬件測試之前,必須盡早評估控制架構的正確性。

  為此,您可以使用仿真環境。例如,使用 Simulink,您可以基于電機模型來仿真和驗證控制架構,包括空間矢量調制等脈寬調制方法,并盡早修正錯誤。(文章出自MathWorks)

標簽:MathWorks  我要反饋
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