详谈SVPWM技术原理

1. 空间电压矢量调制SVPWM技术

        SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由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的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。SVPWM技术与SPWM技术相比较，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，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。下面将对该算法进行详细分析阐述。

1.1 SVPWM基本原理

        SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即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。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。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。逆变电路如图 2-8 示。

        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做变化，时间相位互差 120°。 假设 Um 为相电压有效值，f 为电源频率，则有：

 

                                                                  

 

        其中， ，则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量 就可以表示为：

 

                                                             

 

        可见 是一个旋转的空间矢量，它的幅值为相电压峰值的1.5倍， 为相电压峰值，且以角频率 按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量 在三相坐标轴 上的投影就是对称的三相正弦量。

 

                                                        

                                                                                     图1  逆变电路

 

        由于逆变器三相桥臂共有6各开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，特定义开关函数 为：

 

                                                                         

的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢量 和两个零矢量 ，下面以其中一种开关组合为例分析，假设 ，此时

 

 

                                         

 

        求解上述方程可得，。同理可计算出其它各种组合下的空间电压矢量，列表如下：

			矢量符号	线电压			相电压
0	0	0		0	0	0	0	0	0
1	0	0			0	0
1	1	0				0
0	1	0		0
0	1	1		0
0	0	1		0	0
1	0	1			0
1	1	1		0	0	0	0	0	0

        上表给出了八个基本电压空间矢量的大小和位置。

                                                

                                                                      图2  电压空间矢量图

        其中非零矢量的幅值相同（ 模长为  ），相邻的矢量间隔，而两个零矢量幅值为零，位于中心。在每一个扇区，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：

                                                 

        或者等效成下式：

                                                            

        其中， 为期望电压矢量；为采样周期；分别为对应两个非零电压矢量  和零电压矢量  在一个采样周期的作用时间；其中包括了和两个零矢量。上式的意义是，矢量  在时间内所产生的积分效果值和分别在时间内产生的积分效果相加总和值相同。

        由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹将是如图2所示的圆形。所以要产生三相正弦波电压，可以利用以上电压向量合成的技术，在电压空间矢量上，将设定的电压向量由  位置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可以用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此所得到的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量上平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。

1.2 SVPWM法则推导

        三相电压给定所合成的电压向量旋转角速度为，旋转一周所需的时间为；若载波频率是;则频率比为。这样将电压旋转平面等切割成个小增量，亦即设定电压向量每次增量的角度是：

                                                                                  

        今假设欲合成的电压向量   在第1区中第一个增量的位置，如下图所示，欲用及合成，用平均值等效可得：

                                                                             

                                                        

                                                                    图3  电压空间向量在第1区的合成与分解

        在两相静止参考坐标系中  中，令    和   间的夹角是，由正弦定理可得：                                                                           
                                                      

        因为   ，到各矢量的状态保持时间为：

                                                                                    

        式中  为调制系数（调制比），

                                                                                       

        而零电压向量所分配的时间为：
                                                                                 

        或者

                                                                                        

        得到以  及  合成的  的时间后，接下来就是如何产生实际的脉宽调制波形。在调制方案中，零矢量的选择是最具灵活性的，适当选择零矢量，可最大限度地减少开关次数，尽可能避免在负载电流较大的时刻的开关动作，最大限度地减少开关损耗。

        一个开关周期中空间矢量按分时方式发生作用，在时间上构成一个空间矢量的序列，空间矢量的序列组织方式有多种，按照空间矢量的对称性分类，可分为两相开关换流与三相开关换流。