用于电机控制的空间矢量调制 (SVM)

科技   2025-01-21 08:03   广东  

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)。

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。

示例 - 三相 PMSM 驱动器

此示例展示了一个采用星型绕组和三角型绕组配置的永磁同步电机 (PMSM),以及一个适用于典型混合动力车辆的逆变器。该逆变器直接连接到车辆电池,但您也可以在两者之间实现一个 DC-DC 转换器阶段。您可以使用该模型通过选择架构和增益来设计 PMSM 控制器,以实现期望的性能。为了检查 IGBT 开通和关断时序,您可以使用更详细的 N-Channel IGBT 模块替换 IGBT 器件。对于整车建模,您可以使用 Motor & Drive (System Level) 模块,以基于能量的模型来抽象 PMSM、逆变器和控制器。Gmin 电阻器提供极小的对地电导,在使用可变步长求解器时可改善模型的数值属性。

模型
来源:
https://ww2.mathworks.cn/discovery/space-vector-modulation.html
https://ww2.mathworks.cn/help/sps/ug/three-phase-pmsm-drive.html

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