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1、运动控制系统运动控制系统第第2 2篇篇 交流调速系统交流调速系统第第2 2讲讲电压空间矢量电压空间矢量SVPWM控制技术控制技术14.2 4.2 交流交流PWM变频技术变频技术4.2.4 4.2.4 电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术控制技术 P153P153 序序 前述正弦前述正弦SVPWM控制方式，追求的目标是使变压变频器的输出电压尽量接近正弦控制方式，追求的目标是使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波形，未考虑输出电流的实际波形；电流跟踪波形，未考虑输出电流的实际波形；电流跟踪CFPWM控制方式使输出电流接近正弦控制方式使输出电流接近正弦波形，但电流是在目标正弦波曲线上下
2、波动变化。波形，但电流是在目标正弦波曲线上下波动变化。为使电动机平滑稳定旋转，根本目标应是在电动机气隙空间形成为使电动机平滑稳定旋转，根本目标应是在电动机气隙空间形成“正圆形正圆形”的旋转的旋转磁场，具备恒定电磁转矩的运行状态。磁场，具备恒定电磁转矩的运行状态。电机的电机的“旋转磁场运动轨迹曲线旋转磁场运动轨迹曲线”：定子磁场的磁链矢量绕空间轴旋转，矢量终端：定子磁场的磁链矢量绕空间轴旋转，矢量终端在空间的轨迹曲线的形状表征旋转磁场是否平稳，即是否成在空间的轨迹曲线的形状表征旋转磁场是否平稳，即是否成“正圆正圆”。如果非正圆，。如果非正圆，说明磁链的大小在一周有波动，电磁转矩不平稳。说明磁链的
3、大小在一周有波动，电磁转矩不平稳。把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称作转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链磁链跟踪控制跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称量得到的，所以又称“电压空间矢量电压空间矢量SVPWM控制控制”。24.2.4 4.2.4 电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术控制技术 P153P1531.1.定子相电压空间矢量的定义定子相电压空间矢量的定义 交流电动机绕组的各相相电压量是随时间变化的正
4、弦量，把它们定义成矢交流电动机绕组的各相相电压量是随时间变化的正弦量，把它们定义成矢量，并与电机绕组的空间位置结合起来，放在空间位置坐标系中来分析矢量量，并与电机绕组的空间位置结合起来，放在空间位置坐标系中来分析矢量在空间的运动在空间的运动(取转子轴线法平面建立坐标系取转子轴线法平面建立坐标系)，叫，叫“空间矢量分析法空间矢量分析法”。34.2.4 4.2.4 电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术控制技术 P153P153“合成电压空间矢量合成电压空间矢量”的定义：的定义：三相定子电压空间矢量三相定子电压空间矢量uAO、uBO、uCO相加得相加得到的合成矢量到的合成矢量us是一
5、个随时间旋转的空间矢量，是一个随时间旋转的空间矢量，其转速其转速=电源角频率电源角频率1 1。其幅值固定不变，是相电压幅值的其幅值固定不变，是相电压幅值的3/23/2倍。倍。us可用下面数学推导获得：可用下面数学推导获得：44.2.4 4.2.4 电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术控制技术2.2.电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 P154P154 与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的合成空间矢量与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的合成空间矢量Is和和s 。当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在上式中所占的成分很小，可忽略不计，当电动机转
6、速不是很低时，定子电阻压降在上式中所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为 合成合成磁链空间磁链空间矢量端点的运动矢量端点的运动轨迹：轨迹：当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子合成磁链矢量的幅值恒定，在空间绕转子轴线恒速旋转，其端点的运动轨迹呈圆定子合成磁链矢量的幅值恒定，在空间绕转子轴线恒速旋转，其端点的运动轨迹呈圆形形(一般简称为一般简称为“磁链圆磁链圆”)。这样的定子磁链合成旋转矢量可用下式表示：。这样的定子磁链合成旋转矢量可用下式表示：54.2.4 4.2.4 电
7、压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术控制技术电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系(续续)P154)P154 合成磁链空间矢量与合成电压空间矢量合成磁链空间矢量与合成电压空间矢量(两个旋转矢量两个旋转矢量)端点运动端点运动轨迹的关系轨迹的关系:如下左图所示，当如下左图所示，当合成合成磁链磁链空间空间矢量在空间旋转一周时，矢量在空间旋转一周时，合成合成电压电压空间空间矢量也连续矢量也连续地按地按合成合成磁链磁链空间矢量空间矢量端点轨迹圆的切线方向运动一周。把端点轨迹圆的切线方向运动一周。把合成合成电压电压空间空间矢量的参考矢量的参考点重合放在一起，则电压点重合放在一起，则
8、电压空间空间矢量端点的运动轨迹也是一个园。矢量端点的运动轨迹也是一个园。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可以转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可以转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。64.2.4 4.2.4 电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术控制技术3.3.三相三相PWMPWM逆变器的基本输出电压矢量逆变器的基本输出电压矢量 P155P155 常规的常规的6 6开关的开关的PWMPWM变压变频器，如果采用变压变频器，如果采用180180导通型，任何时刻总是有三只开关管导通，输出六拍导通型，任何时刻总是有三只开关管导通，输出六拍阶梯波的三相逆变交流
9、电。每一拍的合成电压空间矢阶梯波的三相逆变交流电。每一拍的合成电压空间矢量叫量叫“基本输出电压矢量基本输出电压矢量un”。加上三只上管同时导。加上三只上管同时导通和三只下管同时导通的两个无效状态通和三只下管同时导通的两个无效状态(逆变器没有逆变器没有输出输出)，共计有，共计有8 8个开关状态如下表所示。个开关状态如下表所示。对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中中6 6种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔/3/3时时刻就切换一次工作状态刻就切换一次工作状态(即换相即换相)，而，而在这在这/3/3时段内时段内
10、则保持输出不变则保持输出不变。74.2.4 4.2.4 电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术控制技术4.4.正正六边形空间六边形空间旋转磁场旋转磁场 P156P156 输出六拍阶梯波的输出六拍阶梯波的6 6开关的开关的PWMPWM变压变频器在电机变压变频器在电机中形成的旋转磁场中形成的旋转磁场非正圆非正圆，分析如下：，分析如下：工作状态工作状态100100的合成电压空间矢量的合成电压空间矢量 设工作周期从代码设工作周期从代码100100状态开始，这时状态开始，这时VTVT6 6、VTVT1 1、VTVT2 2导通，其等效电路如图所示。各相对直流电源中导通，其等效电路如图所示。各
11、相对直流电源中点点O O的电压都是幅值为的电压都是幅值为 UAOAO=Ud d/2/2，UBOBO=UCOCO=-=-Ud d/2/2 设三个对设三个对O O点的电压合成空间矢量为点的电压合成空间矢量为u1 1，其幅值，其幅值等于等于Ud d，空间方向沿，空间方向沿A A轴轴(即即X X轴轴)。84.4.正正六边形空间六边形空间旋转磁场旋转磁场(续续)P157)P157工作状态工作状态110110的合成电压空间矢量的合成电压空间矢量 这时这时VTVT1 1、VTVT2 2、VTVT3 3导通，其等效电路如图所示。导通，其等效电路如图所示。各相对直流电源中点各相对直流电源中点O O的电压都是幅值
12、为的电压都是幅值为 UAOAO=UBOBO=Ud d/2/2，UCOCO=-=-Ud d/2/2 三个对三个对O O点的电压合成空间矢量点的电压合成空间矢量u2 2，其幅值等于，其幅值等于Ud，空间方向，空间方向606094.4.正正六边形空间六边形空间旋转磁场旋转磁场(续续)P157)P157 依此类推，随着变频器依此类推，随着变频器6 6个工作状态的切换，电个工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转/3/3，直，直到一个周期结束。这样，在一个周期中共有到一个周期结束。这样，在一个周期中共有6 6个方个方向和大小均固定的基本电压空间矢量依次作
13、用，在向和大小均固定的基本电压空间矢量依次作用，在空间形成一个封闭的正六边形，如右图蓝色的空间形成一个封闭的正六边形，如右图蓝色的6 6个个首尾相接的矢量所示。若把它们的起点重合在一点，首尾相接的矢量所示。若把它们的起点重合在一点，则则6 6个矢量呈六向放射状如右图红色的个矢量呈六向放射状如右图红色的6 6个矢量。个矢量。两种电源在电机中形成旋转磁场的区别两种电源在电机中形成旋转磁场的区别：平衡三相正弦电源平衡三相正弦电源：三相正弦电压空间矢量是方三相正弦电压空间矢量是方向固定而幅值随时间的正弦规律连续变化形成旋转向固定而幅值随时间的正弦规律连续变化形成旋转磁场，合成磁链空间矢量是正圆形的。磁
14、场，合成磁链空间矢量是正圆形的。6 6开关变频器六拍三相电源开关变频器六拍三相电源：在电机中由方向和在电机中由方向和大小均恒定的大小均恒定的6 6个基本电压空间矢量顺次作用形成个基本电压空间矢量顺次作用形成旋转磁场，合成磁链空间矢量是正六边形的。即：旋转磁场，合成磁链空间矢量是正六边形的。即：在在6 6个个/3/3区间的每个区间内，合成电压空间矢量区间的每个区间内，合成电压空间矢量方方向固定，大小向固定，大小=Ud d。104.4.正正六边形空间六边形空间旋转磁场旋转磁场(续续)P157)P157 由六个基本电压空间矢量依次作用所形成的正六边形由六个基本电压空间矢量依次作用所形成的正六边形轨迹
15、也可以看作是异步电动机定子磁链矢量的运动轨迹。轨迹也可以看作是异步电动机定子磁链矢量的运动轨迹。进一步说明如下：进一步说明如下：这样在这样在 /3/3的的时间时间 t t内结束时得到如图所示的新的磁链内结束时得到如图所示的新的磁链 2 2。依此类推，可得依此类推，可得6 6个磁个磁链空间矢量链空间矢量 n n ，把它们的起点放在，把它们的起点放在O O点，其端点的运动轨迹就是点，其端点的运动轨迹就是6 6个电压空间矢量个电压空间矢量所围成的所围成的非圆正六边形非圆正六边形。即。即旋转磁场是旋转磁场是6 6脉动的脉动的。114.4.正正六边形空间六边形空间旋转磁场旋转磁场(续续)P157)P15
16、7如果如果u1的作用时间的作用时间 t小于小于/3/3，则，则 1 1的幅值也按比例随的幅值也按比例随 t的的减小而减小，如图中的矢量减小而减小，如图中的矢量 。可见，在任何时刻，所产生的磁链增量可见，在任何时刻，所产生的磁链增量 的方向决定的方向决定于所施加的电压，其幅值则正比于施加电压的时间。于所施加的电压，其幅值则正比于施加电压的时间。可以得到的可以得到的结论结论:如果交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆变器供电，如果交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆变器供电，磁链轨迹便是六边形的旋转磁场，这显然不如由正弦波磁链轨迹便是六边形的旋转磁场，这显然不如由正弦波供电时所产生的恒定正圆形旋转磁场那样能
17、使电动机获供电时所产生的恒定正圆形旋转磁场那样能使电动机获得均匀稳定的运行性能。得均匀稳定的运行性能。如果想获得更多边的多边形去逼近圆形的旋转磁场，如果想获得更多边的多边形去逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个期间内增加切换次数，使有更多个工作就必须在每一个期间内增加切换次数，使有更多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。为此，状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。为此，必须对逆变器的控制模式进行改造：如三段逼近法，比必须对逆变器的控制模式进行改造：如三段逼近法，比较判断法等，下面介绍较判断法等，下面介绍“基本电压矢量线性组合基本电压矢量线性组合”的方的方法。法。124.4.正正六
18、边形空间六边形空间旋转磁场旋转磁场(续续)P157)P157用用6 6个个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场 为了讨论方便起见，可把逆变器的一个工作周期用为了讨论方便起见，可把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量个电压空间矢量划分成划分成6个区域，称为个区域，称为扇区扇区(Sector)，如图所示的，如图所示的、，每每个扇区对应的时间均为个扇区对应的时间均为/3/3。由于逆变器在各扇区的工作状态都是对称的，分析一个扇区的方法由于逆变器在各扇区的工作状态都是对称的，分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区。可以推广到其他扇区。134.4
19、.正正六边形空间六边形空间旋转磁场旋转磁场(续续)P157)P157用用6 6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续续)在常规六拍逆变器中每个扇区仅包含在常规六拍逆变器中每个扇区仅包含两个两个开关开关工作状态工作状态(两个基本电压空间矢量两个基本电压空间矢量)。把每一扇区再均分成若干个对应于时间把每一扇区再均分成若干个对应于时间T0的小区间，插入这两个开关工作状态的若的小区间，插入这两个开关工作状态的若干个线性组合的新电压空间矢量干个线性组合的新电压空间矢量us，以获得优于正六边形的多边形，以获得优于正六边形的多边形(逼近圆形逼
20、近圆形)旋转磁旋转磁场场。在每个。在每个T0的小区间内，分别让的小区间内，分别让u1作用时间作用时间=t1，让，让u2作用作用时间作用作用时间=t2(非严格同时非严格同时作用的合成作用的合成)。如图表示由电压空间矢量如图表示由电压空间矢量u1和和u2的线性组合构成新的电压矢量的线性组合构成新的电压矢量us。磁链增量由图中磁链增量由图中的的 1111，1212，1313，1414这这4 4段组成。段组成。在每一段在每一段T0的换相周期内，用两个矢量之和的换相周期内，用两个矢量之和(u1+u2)表示由两个矢量线性组合后的电压矢量表示由两个矢量线性组合后的电压矢量us，新矢量的相位为，新矢量的相位为
21、。144.4.正正六边形空间六边形空间旋转磁场旋转磁场(续续)P157)P157用用6 6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续续)在一个在一个T0 0周期内，设周期内，设u1 1和和u2 2的作用时间分别是的作用时间分别是t1 1和和t2 2。由图可以看出：。由图可以看出：154.4.正正六边形空间六边形空间旋转磁场旋转磁场(续续)P157)P157用用6 6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续续)164.4.正正六边形空间六边形空间旋转磁场旋转磁场(续续)P
22、157)P157用用6 6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续续)(1)(1)零矢量集中的实现方法。零矢量集中的实现方法。P160P160 实现方法实现方法1:1:将两个基本电压矢量将两个基本电压矢量u1和和u2的作用时间的作用时间t1、t2平分为二，安放在开关周期平分为二，安放在开关周期T0的首、尾，的首、尾，将零矢量的作用时间放在中间，按开关损耗小的原则将零矢量的作用时间放在中间，按开关损耗小的原则中间中间零矢量取零矢量取u7(111)(111)。174.4.正正六边形空间六边形空间旋转磁场旋转磁场(续续)P157)P15
23、7用用6 6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续续)(1)(1)零矢量集中的实现方法。零矢量集中的实现方法。P160P160 实现方法实现方法2:2:将两个基本电压矢量将两个基本电压矢量u1和和u2的作用时间的作用时间t1、t2平分为二，安放在开关周期平分为二，安放在开关周期T0的首、尾，的首、尾，将零矢量的作用时间放在中间，按开关损耗小的原则将零矢量的作用时间放在中间，按开关损耗小的原则中间中间零矢量取零矢量取u8(000)(000)。184.4.正正六边形空间六边形空间旋转磁场旋转磁场(续续)P157)P157用用6 6个
24、基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续续)(2)(2)零矢量分布的实现方法。零矢量分布的实现方法。P169P169 将零矢量平均分成四份，在开关周期将零矢量平均分成四份，在开关周期T0首、尾各放一份，中间放两份。再将两首、尾各放一份，中间放两份。再将两个基本电压矢量个基本电压矢量u1和和u2将的作用时间将的作用时间t1、t2平分为二，插在零矢量之间。按开关损耗平分为二，插在零矢量之间。按开关损耗小的原则，首、尾两个零矢量取小的原则，首、尾两个零矢量取u8(000)(000)，中间两个，中间两个零矢量取零矢量取u7(111)(111
25、)。194.2.4 4.2.4 电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术控制技术用用6 6个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场个基本电压矢量的线性组合方法获得逼近圆形的旋转磁场(续续)如图例：将如图例：将/3/3的定子磁链矢量轨迹等分成的定子磁链矢量轨迹等分成N等分等分(如如N=4)=4)，每个小区间的时间，每个小区间的时间T0 0=/(3=/(31 1N)N)，定子磁链矢量轨迹为正定子磁链矢量轨迹为正6 6N(这里为这里为24)多边形。多边形。比起正比起正6边形的磁链矢量轨迹谐波分量小，转矩边形的磁链矢量轨迹谐波分量小，转矩波动也小。波动也小。这种按照跟踪圆形旋转磁
26、场这种按照跟踪圆形旋转磁场控制逆变器的工作方法叫控制逆变器的工作方法叫“磁磁链跟踪控制链跟踪控制”，磁链的轨迹是，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称得到的，所以又称“电压空间电压空间矢量矢量SVPWM控制控制”。204.2.4 4.2.4 电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术控制技术(续续)SVPWM控制模式特点小结：控制模式特点小结：逆变器的一个工作周期分成逆变器的一个工作周期分成6个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的一拍。为了使电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间一拍。为了使
27、电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间T0，T0越短，旋转磁场越接近圆形，但越短，旋转磁场越接近圆形，但T0的缩短受到功率开关器件允许开关频率的的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制约。制约。在每个小区间在每个小区间T0内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因而开关损耗较小。功率开关器件，因而开关损耗较小。利用电压空间矢量直接生成三相利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。波，计算简便。采用采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这
28、比一般的正弦比一般的正弦SPWM逆变器输出电压提高了逆变器输出电压提高了15%。21 作作 业业共共2 2题：题：1.1.三相交流电机的正弦定子电压空间矢量三相交流电机的正弦定子电压空间矢量uA0、uB0、uC0的方向的方向和大小随时间如何变化？这三个正弦矢量在空间和时间上相位相和大小随时间如何变化？这三个正弦矢量在空间和时间上相位相差角度各是多少？差角度各是多少？三相交流电机定子的三相交流电机定子的“正弦合成电压空间矢量正弦合成电压空间矢量”的方向和大的方向和大小随时间如何变化？小随时间如何变化？2.2.三相正弦电源和三相正弦电源和6 6开关变频器六拍三相电源开关变频器六拍三相电源在电机中形成旋在电机中形成旋转磁场的有何区别？转磁场的有何区别？22