从系列:电机控制
Melda Ulusoy, MathWorks
空间矢量调制(vector modulation, SVM),又称空间矢量脉宽调制(Space vector pulse width modulation, SVPWM),是感应永磁同步电动机(PMSM)场定向控制中常用的一种技术。支持向量机产生脉宽调制信号来控制三相逆变器的开关,然后产生所需的三相电压以所需的速度或扭矩驱动电机。在本视频中,您将学习如何通过在基本和零向量之间交替生成任意给定角度和大小的电压向量。视频还比较了空间矢量调制和另一种常用的电机控制方法——正弦PWM (SPWM)。支持向量机让我们充分利用直流电源电压,并增加总线利用率比正弦PWM 13.3%。
之前我们讨论了磁场定向控制以及如何用它来控制不同速度的永磁同步电动机。在这个视频中,我们将关注空间矢量调制,这是FOC算法的最后一步,产生所需的三相电压以期望的速度驱动电机。当你搜索这个主题时,你可能会遇到不同的首字母缩写词,比如用于空间矢量调制的SVM,用于空间矢量脉宽调制的SVPWM,以及用于正弦脉宽调制的SPWM。这两个术语是可以互换的,但它们是相同的技术,而正弦PWM是产生电机所需的三相电压的稍微不同的方法。与SPWM相比,SVM有一些优势,因为它更有效地利用直流源电压,并为电机创建更高的电压输出,这一点我们将在视频后面讨论。
上次,我们解释了如何使用Clarke和Park变换来计算Id和Iq电流,并使用PI控制器控制它们的期望值。这个控制图帮助我们从概念上解释了FOC的不同组件以及它们是如何工作的。但是我们实现这个算法的方式有点不同,就像这样。我们先来谈谈我们想用空间矢量调制来实现什么。我们的目标是创造出驱动永磁同步电动机所需的三相电压。我们产生这些三相电压的方式是通过使用三相逆变器,它以一个恒定的直流电压作为输入。为了将直流电源转换为交流电源,我们需要控制逆变器开关的开/关状态以及开关顺序。这就是空间矢量脉宽调制发挥作用的地方。它取由逆变park变换产生的参考电压并产生占空比送至单片机上的PWM驱动器。PWM驱动器输出所需的脉宽调制信号到三相逆变器,然后产生所需的三相电压到电机。 Note that space vector modulation eliminates the use of an inverse Clarke transform.
如果你想用MATLAB和Simulink设计和模拟FOC算法,你可以使用不同的选项来实现空间矢量调制。金宝app一种选择是使用Simscape Electrical中可用的PWM发生器块。在块参数中,可以选择PWM产生技术:正弦PWM或空间矢量PWM。该模块取三相参考电压和直流链路电压,产生两个输出;第一个是控制逆变器开关的脉冲,第二个是调制波形。基于您附加到PWM发生器的逆变器,您可以使用这些输出之一。例如,对于高保真仿真,可以使用要求调制波形的平均值逆变器块。或者,您可以使用三相逆变器,让您在逆变器中模拟开关效果,并要求开关控制脉冲作为输入。
如果您想从您的电机控制算法生成代码,并将其部署到嵌入式硬件,您可以使用电机控制模块集提供的空间矢量发生器模块实现空间矢量调制。该块采用由反向公园变换产生的参考电压并产生调制的三相电压。有关MATLAB和Simulink支持向量机的更多信息,请查看视频下面提供的链接。金宝app
你们会记得之前的视频,在FOC中,我们感兴趣的是创建一个与转子场正交的连续旋转的定子场向量。为了解释空间矢量调制背后的概念,我们将把重点放在一个静态的,如红色所示的场矢量上,而不是旋转场矢量。如前所述,三相逆变器开关的通断状态决定了电机的输出电压。为了清楚地看到这些开关状态,我们将使用矩形表示三相逆变器的开关。红色表示开关关闭,白色表示开关打开。现在对于我们想要沿0度形成的空间向量,开关结构看起来是这样的沿着a相有一个正的电压沿着B和c相有一个负的电压,如果我们画一个简化版本的电路,我们可以看到a相到中性点的电压是直流电源电压的2/3,而B相和C相到中性点的电压是直流电源电压的-1/3。这是我们如何用空间矢量图上的电压矢量来表示这些电压。对于正电压,空间矢量是正相位方向,而负电压矢量则指向相反的相位方向。把这三个向量加起来就得到了沿0°方向的空间向量,我们称之为V1。 The states for this space vector are shown here; it is [100]. At each time, only one of the two switches along each inverter leg is closed giving us 8 different switching combinations. Six of them lead to these voltage vectors on the space vector diagram, each 60 degrees apart. These are also referred to as basic vectors. And the remaining two configurations give us zero or null vectors, which occur when either all the upper or all the lower switches are closed simultaneously. Since in this case, no current is flowing through the phases, no voltage is generated, and the resulting space vectors are null vectors shown on the origin.
现在我们知道如何控制三相逆变器的开关,以在这里显示的角度创建空间电压矢量。但我们真正感兴趣的是生成任意角度任意大小的空间向量。这将使我们创建一个任意大小的连续旋转的电压矢量。这可以通过PWM实现。在之前的一个视频中,我们讨论了PWM的平均效应。通过在两个高频率电压电平之间切换,我们能够得到一个平均输出电压。同样,空间矢量也可以使用PWM进行平均。这个空间向量的角度是通过在两个相邻的基本向量之间切换来控制的,其大小是通过在基本向量和零向量之间切换来控制的。
为了更好地理解空间矢量PWM是如何工作的,我们将使用这个动画。洋红色的矢量是我们创建的电压矢量我们称之为参考矢量。我们生成这个参考向量的方法是在两个相邻的基本向量之间进行切换,如图所示。为了更好地理解我们的意思,让我们放慢动画的速度,并专注于每个领域中发生的事情。我们想要的电压矢量在这个扇区。首先,我们找到与该扇区相关的基本向量,在本例中是V1和V2,然后在这两个向量之间进行切换,合成参考向量。这是空间矢量脉宽调制背后的基本思想。如果参考向量在另一个扇区,我们仍然按照同样的逻辑,根据该扇区选择基本向量,并在它们之间交替,以平均参考向量。如果你仔细观察,你可能会注意到有些情况我们根本看不到任何基本向量,比如这个或这个。为了理解在这个时间实例中发生了什么,让我们看看逆变器开关的状态是如何变化的。 This animation reveals that when no basic vectors are present, we’re actually in a null state. So, the switching pattern doesn’t only consist of the basic vectors, in this case, V3 and V4, but it also includes the null vectors V0 and V7. Both null vectors result in zero volts on motor terminals. So, does it really matter which one we use in the switching pattern? The answer is yes; it matters and here’s why. Let’s focus on the switching pattern for a second. While we transition from the null vector V0 to V3, we only change the states of the switches along phase B while we keep the rest of the switches at the same state. The same is true when we transition from V3 back to V0. However, if we used the other null vector during this transition, then we would need to change the states of the switches both along phase A and phase C. This would cause a larger switching loss in the inverter. Similarly, for this part of the switching pattern where we need to transition between V4 and one of the null vectors, we choose V7 because that configuration reduces the switching loss in the inverter.
现在我们已经理解了零向量的选择,让我们从不同的角度看问题。这个动画展示了空间矢量调制的另一种可视化方法。在左边,它显示了我们在A、B和C阶段的高边开关在每个扇区的累计时间。让我们暂停一下,试着解释一下我们所看到的。正如我们之前讨论的,对于我们的参考向量所在的扇区,切换序列看起来像这样,它包括这些状态。将它们垂直排列有助于我们了解不同电压矢量之间的共同开关模式。我们立即注意到,大部分时间花在B相高状态,因为它在7个电压向量中的5个重复。接下来是相位C,最后是相位A,只有由于零向量V7才会开启。如果我们现在播放动画,我们将能够确认花在BH或B高的时间最多,然后是CH,最后是AH,我们花费的时间最少,这只是由于零向量V7。对于其他部门,你可以做一个类似的练习,就像我们在这里做的那样,来估计不同阶段的累计启动时间。
让我们回到之前的动画。你可能注意到的另一件重要的事情是我们在每个向量上花费的时间是不同的。如果我们想要创建的参考向量更接近于其中一个相邻的向量,那么我们就会在这个向量上花费更多的时间。如果参考向量恰好在两个相邻向量的中间,那么我们在每个向量上花费的时间相等。让我们启动动画并监控V1和V2的时间持续时间。现在,参考向量更接近V1,所以我们花在V1上的时间比V2多。当参考向量经过30度后,它变得更接近V2,所以我们花更多的时间在V2上。类似地,让我们看看零状态的持续时间对平均电压矢量有什么影响。零矢量的持续时间影响电压矢量的大小。让我们比较一下这两个动画。 For a voltage vector that is larger in magnitude, we spend less time in the null state; however, if we increase the duration of the null state, then we end up with a voltage vector that is smaller in magnitude.
最后,我们将讨论空间矢量调制与我们之前提到的正弦PWM技术的区别。这里的动画展示了空间矢量PWM和正弦PWM是如何工作的。它们的工作原理非常相似。在切换时间上只有细微的差别。尽管这种差异很小,但却显著影响了这些不同技术产生的信号。空间矢量PWM产生的调制波形具有双驼峰特性,而在正弦PWM中它们看起来像正弦波。
这两种技术都能产生正弦三相电压,但空间矢量PWM中调制波形的形状让我们充分利用直流源电压。这里,直流电源电压是1伏。如果我们仔细观察电压输出,我们会看到空间矢量PWM使用100%的源电压,而在正弦PWM总线利用率为86.6%,导致三相电压的振幅小于1伏特。
让我们总结一下在这个视频中看到的内容。我们已经介绍了基本矢量和零矢量,以及如何在它们之间交替合成具有一定角度和大小的电压矢量。我们讨论了零向量的选择以使逆变器的开关损耗最小。最后,我们展示了空间矢量PWM让我们比正弦PWM增加了13.3%的总线利用率。有关空间矢量调制的更多信息,请查看视频下面的链接。
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